WO2024089996A1 - 極低温装置 - Google Patents

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WO2024089996A1
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vacuum vessel
cylindrical portion
condensation water
cryogenic
superconducting coil
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篤 橋本
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住友重機械工業株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04Cooling
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/80Constructional details
    • H10N60/81Containers; Mountings

Definitions

  • the present invention relates to a cryogenic device.
  • cryogenic devices having a cryogenic refrigerator and a vacuum vessel are known.
  • Various objects to be cooled are housed in the vacuum vessel, for example, superconducting equipment such as a superconducting coil, other equipment used in a cryogenic environment, and cryogenic refrigerant that cools these devices.
  • the cryogenic refrigerator is used to cool the objects to be cooled.
  • the power supply to the superconducting coil may be stopped, or the cooling operation by the cryogenic refrigerator may be stopped.
  • the thermal balance inside the cryogenic device changes from that during normal operation of the cryogenic device, and the superconducting coil that was cryogenically cooled inside the vacuum vessel becomes the cooling source, and the components of the cryogenic device connected to it in a heat-transferable manner may be cooled.
  • the parts exposed to the surrounding environment on the outer surface of the vacuum vessel such as the current introduction terminal for supplying power to the superconducting coil and the drive unit of the cryogenic refrigerator, are cooled, and moisture in the surrounding air may condense or freeze on these exposed parts.
  • the condensed water will spread to the surroundings on the cryogenic device and have adverse effects.
  • the iron materials such as the magnetic shield and yoke surrounding the vacuum vessel may get wet and cause rust.
  • the adhesion of water droplets to current-carrying parts such as the current introduction terminal may lead to the risk of electrical system trouble such as electric leakage.
  • One exemplary objective of certain aspects of the present invention is to address condensation that may occur in cryogenic equipment.
  • the cryogenic device comprises a vacuum vessel, a superconducting coil disposed within the vacuum vessel, a cryogenic refrigerator installed in the vacuum vessel and cooling the superconducting coil, a current introduction terminal installed in the vacuum vessel and connected to the superconducting coil, and a condensation water reservoir provided around the exposed portion below the exposed portion of at least one of the cryogenic refrigerator and the current introduction terminal that is exposed from the vacuum vessel.
  • the present invention makes it possible to deal with condensation that may occur in cryogenic equipment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a cryogenic device according to an embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a schematic diagram of a condensation water puddle according to a modified example.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a cryogenic device according to another embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a cryogenic device 10 according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows the internal structure of the cryogenic device 10.
  • the cryogenic device 10 is a superconducting magnet device, and includes a vacuum vessel 12, a superconducting coil 14 disposed within the vacuum vessel 12, a cryogenic refrigerator 20 installed in the vacuum vessel 12 for cooling the superconducting coil 14, and a current introduction terminal 30 installed in the vacuum vessel 12 and connected to the superconducting coil 14.
  • the superconducting magnet device may be used, for example, as a magnetic field source for a single crystal pulling device.
  • the vacuum vessel 12 is an insulated vacuum vessel that provides an extremely low temperature vacuum environment suitable for bringing the superconducting coil 14 into a superconducting state, and is also called a cryostat.
  • the vacuum vessel 12 has a cylindrical shape, or a cylindrical shape with a hollow space in the center.
  • the vacuum vessel 12 has a generally flat circular or annular top plate 12a and bottom plate 12b, and a cylindrical side wall (cylindrical outer wall, or cylindrical outer and inner walls arranged coaxially) connecting them.
  • the vacuum vessel 12 is formed of a metallic material such as stainless steel or other suitable high-strength material so as to withstand ambient pressure (e.g., atmospheric pressure).
  • the superconducting coil 14 is connected to the external power source 16 through the current introduction terminal 30.
  • the current introduction terminal 30 is the end of the current path to the superconducting coil 14 in the vacuum vessel 12, which is often called a current lead.
  • the current introduction terminal 30 is provided on the wall of the vacuum vessel 12 and is an airtight terminal for introducing current from the outside to the inside of the vacuum vessel 12 while maintaining the airtightness of the inside of the vacuum vessel 12.
  • only one current introduction terminal 30 is shown in FIG. 1, but generally, at least one pair of current introduction terminals 30 (and current leads) are provided on the positive and negative pole sides.
  • the current introduction terminal 30 is provided on the bottom plate 12b of the vacuum vessel 12.
  • the cryogenic refrigerator 20 includes a compressor (not shown) for a refrigerant gas (e.g., helium gas) and an expander, also called a cold head.
  • the compressor and expander form a refrigeration cycle of the cryogenic refrigerator 20, thereby providing cryogenic cooling.
  • the cryogenic refrigerator 20 is a two-stage Gifford-McMahon (GM) refrigerator.
  • the cryogenic refrigerator 20 includes a first cooling stage 22a and a second cooling stage 22b as low-temperature parts that are cooled to a cryogenic temperature. These cooling stages are disposed within the vacuum vessel 12.
  • the first cooling stage 22a and the second cooling stage 22b are formed of, for example, a metal material such as copper or other materials with high thermal conductivity.
  • the cryogenic refrigerator 20 also includes a first cylinder 24a, a second cylinder 24b, a cold head drive unit 26, and a mounting flange 28.
  • the first cylinder 24a connects the mounting flange 28 to the first cooling stage 22a
  • the second cylinder 24b connects the first cooling stage 22a to the second cooling stage 22b.
  • the cold head drive unit 26 is attached to the mounting flange 28 on the side opposite the first cylinder 24a.
  • the first cylinder 24a and the second cylinder 24b are, for example, cylindrical members, and the second cylinder 24b has a smaller diameter than the first cylinder 24a.
  • the first cylinder 24a and the second cylinder 24b are arranged coaxially, and the lower end of the first cylinder 24a is rigidly connected to the upper end of the second cylinder 24b.
  • the first cylinder 24a and the second cylinder 24b respectively house a first displacer and a second displacer containing a cold storage material.
  • the first displacer and the second displacer are connected to each other and can reciprocate along the first cylinder 24a and the second cylinder 24b, respectively.
  • the first cylinder 24a and the second cylinder 24b are typically formed of a metal material, such as stainless steel, that has a lower thermal conductivity than the first cooling stage 22a and the second cooling stage 22b.
  • the cold head drive unit 26 includes a motor and a coupling mechanism that couples the motor to the first and second displacers so as to convert the rotational motion output by the motor into reciprocating motion of these displacers.
  • the cold head drive unit 26 also includes a pressure switching valve that periodically switches the pressure inside the first and second cylinders 24a and 24b between high and low pressure, and this pressure switching valve is also driven by the same motor.
  • the cold head of the cryogenic refrigerator 20 is installed on the top plate 12a of the vacuum vessel 12.
  • the top plate 12a of the vacuum vessel 12 is provided with an opening 32 for inserting the cold head into the vacuum vessel 12.
  • the cold head is installed vertically in the vacuum vessel 12 with the cold head drive unit 26 facing upward and the first cooling stage 22a and the second cooling stage 22b facing downward.
  • the cold head drive unit 26 is exposed from the vacuum vessel 12 to the surrounding environment (e.g., room temperature and atmospheric pressure environment).
  • the first cooling stage 22a is cooled to a first cooling temperature, for example, 30K to 80K
  • the second cooling stage 22b is cooled to a second cooling temperature, for example, 3K to 20K, which is lower than the first cooling temperature.
  • a radiation heat shield 34 is arranged together with the low-temperature part of the cryogenic refrigerator 20 and the superconducting coil 14.
  • the radiation heat shield 34 is thermally coupled to the first cooling stage 22a and cooled to a first cooling temperature.
  • the radiation heat shield 34 is directly attached to the first cooling stage 22a and thermally coupled to the first cooling stage 22a.
  • the radiation heat shield 34 may be attached to the first cooling stage 22a via a flexible or rigid heat transfer member.
  • the radiation heat shield 34 is formed of a metal material such as copper or other material with high thermal conductivity.
  • the radiation heat shield 34 is arranged to surround the superconducting coil 14, which is cooled to a second cooling temperature, the second cooling stage 22b of the cryogenic refrigerator 20, and other low-temperature parts, and can thermally protect these low-temperature parts from radiant heat from the outside.
  • the superconducting coil 14 is thermally coupled to the second cooling stage 22b via the heat transfer member 36 and is cooled to the second cooling temperature.
  • the heat transfer member 36 may be a flexible or rigid heat transfer member, and is formed, for example, of a metallic material such as copper or other material with high thermal conductivity. Alternatively, the superconducting coil 14 may be directly attached to the second cooling stage 22b.
  • the vacuum vessel 12 may be provided with a magnetic shield 38 on its outside.
  • the magnetic shield 38 covers the top plate 12a, bottom plate 12b, and side walls connecting them of the vacuum vessel 12.
  • the magnetic shield 38 is formed of a magnetic material such as iron.
  • An opening is formed in the upper plate 38a of the magnetic shield 38 adjacent to the top plate 12a of the vacuum vessel 12 to receive the cold head drive unit 26 of the cryogenic refrigerator 20, and as shown in the figure, the cold head drive unit 26 is positioned to protrude upward from the magnetic shield 38.
  • the vacuum vessel 12 comprises a first cylindrical section 40 that extends downward into the vacuum vessel 12 from an opening 32 in the top plate 12a, and a second cylindrical section 42 that extends downward from an exposed portion of the cryogenic refrigerator 20 that is exposed from the vacuum vessel 12 (i.e., the cold head drive section 26) to the inside of the first cylindrical section 40.
  • the double cylinder consisting of the first cylindrical section 40 and the second cylindrical section 42 maintains airtightness inside the vacuum vessel 12 while connecting the top plate 12a of the vacuum vessel 12 to the cold head drive section 26 at the opening 32.
  • the first tubular portion 40 has a hollow tubular shape, such as a cylinder, and is made of a metal material, such as stainless steel, or other suitable material.
  • the first tubular portion 40 may have an inner flange at its lower end for attaching the second tubular portion 42.
  • the second cylindrical portion 42 connects the cold head drive unit 26 (more specifically, the mounting flange 28) to the first cylindrical portion 40.
  • the second cylindrical portion 42 may be deformable, for example, a bellows.
  • the second cylindrical portion 42 may be formed of a metallic material, such as stainless steel, like the first cylindrical portion 40, and rigidly connect the cold head drive unit 26 and the first cylindrical portion 40.
  • the first cylindrical portion 40 may be deformable, for example, a bellows.
  • the first cylindrical portion 40 and the second cylindrical portion 42 deformable, it becomes possible to absorb thermal contraction of the low-temperature portion that may occur during cryogenic cooling.
  • the thermal balance inside the cryogenic device 10 may change from that during normal operation of the cryogenic device 10 due to the cessation of power supply to the superconducting coil 14 and the cessation of cooling by the cryogenic refrigerator 20.
  • the superconducting coil 14 which has been cryogenically cooled inside the vacuum vessel 12, becomes a cooling source and can cool the components of the cryogenic device 10 connected to it in a heat-transferable manner, such as the cold head drive unit 26 of the cryogenic refrigerator 20. Therefore, moisture in the surrounding air may condense on the cold head drive unit 26 during maintenance work on the cryogenic device 10. If the condensed water diffuses to the surroundings, it may adhere to the magnetic shield 38. Since the magnetic shield 38 is made of iron, the adhering water may cause rust.
  • an annular (e.g., circular) recess is formed between the first tube 40 and the second tube 42 below the top plate 12a of the vacuum vessel 12.
  • This recess is provided around the cold head drive unit 26 below, and can function as a condensation water pool 44 that receives condensation water.
  • the condensation water stored in the condensation water pool 44 may be removed by wiping or the like as necessary (e.g., during or at the end of maintenance work), or may be left to evaporate naturally. In this way, the diffusion of condensation water to the surroundings can be reduced or prevented.
  • condensation water pool 44 is provided on the opposite side of the top plate 38a of the magnetic shield 38 (i.e., below the top plate 12a) to the top plate 12a of the vacuum vessel 12, rusting of the magnetic shield 38 due to contact with condensation water is also reduced or prevented.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a condensation puddle 44 according to a modified example.
  • the current introduction terminal 30 is provided on the bottom plate 12b of the vacuum vessel 12, but the cryogenic device 10 can also be designed to employ a current introduction terminal 30 provided on the top plate 12a of the vacuum vessel 12.
  • condensation can also occur on the current introduction terminal 30, so the condensation puddle 44 according to the embodiment may be applied to the current introduction terminal 30.
  • the vacuum vessel 12 comprises a first cylindrical portion 40 extending downward into the vacuum vessel 12 from an opening 32 in the top plate 12a, and an exposed portion exposed from the vacuum vessel 12, in this case a second cylindrical portion 42 extending downward from the current introduction terminal 30 to the inside of the first cylindrical portion 40.
  • the double cylinder consisting of the first cylindrical portion 40 and the second cylindrical portion 42 maintains airtightness inside the vacuum vessel 12 while connecting the top plate 12a of the vacuum vessel 12 to the current introduction terminal 30 at the opening 32.
  • the second cylindrical portion 42 may be a cylindrical case that houses the current lead 31 connected to the current introduction terminal 30. At least one of the first cylindrical portion 40 and the second cylindrical portion 42 may have a bellows, for example, or may be deformable.
  • the condensation water pool 44 is provided below and around the current introduction terminal 30.
  • the first cylindrical portion 40 and the second cylindrical portion 42 are connected at their lower ends by a bottom plate 46 of the condensation water pool 44. Note that this bottom plate 46 may be the inner flange of the first cylindrical portion 40 as described above, or may be the outer flange of the second cylindrical portion 42, or may be a separate member from the first cylindrical portion 40 and the second cylindrical portion 42.
  • condensation water puddle 44 As shown by arrow 48, water droplets that have formed condensation and adhered to the current introduction terminal 30 flow down into the condensation water puddle 44 and are collected there. In this way, it is possible to reduce or prevent the diffusion of condensation water to the surrounding area. Because the condensation water puddle 44 is provided on the opposite side of the top plate 12a of the vacuum vessel 12 from the upper plate 38a of the magnetic shield 38, the occurrence of rust on the magnetic shield 38 due to contact with condensation water is also reduced or prevented. In addition, the risk of electrical system problems such as electric leakage can also be reduced.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a cryogenic device 10 according to another embodiment.
  • the cryogenic device 10 is a superconducting magnet device, and includes a vacuum vessel 12, a superconducting coil 14 disposed within the vacuum vessel 12, a cryogenic refrigerator 20 installed in the vacuum vessel 12 and cooling the superconducting coil 14, and a current introduction terminal 30 installed in the vacuum vessel 12 and connected to the superconducting coil 14.
  • the superconducting magnet device may be used, for example, as a magnetic field source for a cyclotron.
  • the vacuum vessel 12 comprises a vacuum vessel body 50 housing the superconducting coil 14, a first cylindrical portion 52 housing the current lead 31, and a second cylindrical portion 54 housing the cryogenic refrigerator 20.
  • the vacuum vessel body 50 has a top plate 12a, a bottom plate 12b, and a side wall connecting them.
  • the first cylindrical portion 52 protrudes upward from the top plate 12a of the vacuum vessel body 50 and extends to the exposed portion of the current lead 31 exposed from the vacuum vessel 12, i.e., the current introduction terminal 30. In other words, the current introduction terminal 30 is exposed to the ambient environment of the vacuum vessel 12 at the upper end of the first cylindrical portion 52.
  • the second cylindrical portion 54 protrudes upward from the top plate 12a of the vacuum vessel body 50 and extends to the exposed portion of the cryogenic refrigerator 20 exposed from the vacuum vessel 12, i.e., the cold head drive unit 26.
  • the cold head drive unit 26 is exposed to the ambient environment of the vacuum vessel 12 at the upper end of the second cylindrical portion 54.
  • the cryogenic device 10 also includes a yoke 56 that surrounds the vacuum vessel 12.
  • the yoke 56 is made of a magnetic material such as iron.
  • the yoke 56 has a split structure, and includes an upper yoke 56a that surrounds the upper part of the vacuum vessel 12 and a lower yoke 56b that surrounds the lower part of the vacuum vessel 12.
  • the upper yoke 56a has a first opening that receives the first cylindrical part 52 of the vacuum vessel 12, and a gap 58 is formed between the upper yoke 56a and the first cylindrical part 52 within this opening.
  • the upper yoke 56a has a second opening that receives the second cylindrical part 54 of the vacuum vessel 12, and a gap 60 is formed between the upper yoke 56a and the second cylindrical part 54 within this opening.
  • the upper yoke 56a has a yoke top surface 56a1 that surrounds the first cylindrical part 52 and the second cylindrical part 54.
  • the upper yoke 56a may be capable of being raised and lowered relative to the vacuum vessel 12. For example, during maintenance of the cryogenic device 10, the upper yoke 56a may be separated from the lower yoke 56b and moved upward. This may form a working space between the upper yoke 56a and the lower yoke 56b for an operator to access the vacuum vessel 12. When maintenance is completed, the upper yoke 56a may be moved downward, the working space may be closed, and the upper yoke 56a may be reconnected to the lower yoke 56b.
  • the condensation water reservoir 44 includes two condensation water trays 44a and two condensation water guides 44b on the yoke top surface 56a1.
  • the condensation water trays 44a and the condensation water guides 44b are provided corresponding to the first cylindrical portion 52 and the second cylindrical portion 54, respectively.
  • the condensation water tray 44a is provided around the lower side of the current introduction terminal 30.
  • the condensation water guide 44b is disposed above the gap 58 between the first tubular portion 52 and the upper yoke 56a so as to cover the gap 58, and is configured to guide the condensation water flowing down from the current introduction terminal 30 to the condensation water tray 44a.
  • the condensation water guide 44b is annular, with its inner peripheral edge attached to the upper end of the first tubular portion 52 and provided around its entire circumference, and its outer peripheral edge located above or inside the condensation water tray 44a. Therefore, water droplets that adhere to the current introduction terminal 30 due to condensation flow over the upper surface of the condensation water guide 44b and are collected in the condensation water tray 44a.
  • the condensation water tray 44a is provided around the lower side of the cold head drive unit 26.
  • the condensation water guide 44b is disposed above the gap 60 between the second tubular portion 54 and the upper yoke 56a so as to cover the gap 60, and is configured to guide the condensation water flowing down from the cold head drive unit 26 to the condensation water tray 44a.
  • the condensation water guide 44b is annular, with its inner peripheral edge attached to the upper end of the second tubular portion 54 and provided around its entire circumference, and its outer peripheral edge located above or inside the condensation water tray 44a. Therefore, water droplets that adhere to the cold head drive unit 26 due to condensation flow over the upper surface of the condensation water guide 44b and are collected in the condensation water tray 44a.
  • the condensation water puddle 44 can reduce or prevent the diffusion of condensation water to the surroundings. Rust on the yoke 56 caused by contact with condensation water can also be mitigated or prevented. The risk of electrical system troubles such as electric leakage can also be reduced.
  • the condensation water guide 44b may be flexible.
  • the condensation water guide 44b may be made of an appropriate synthetic resin material, such as silicone resin or fluororesin, and may be formed, for example, in a sheet shape and be deformable. This is advantageous because when the upper yoke 56a moves together with the condensation water tray 44a relative to the first cylindrical portion 52 and the second cylindrical portion 54, the condensation water guide 44b does not deform itself to impede the movement of the upper yoke 56a and the condensation water tray 44a.
  • the cryogenic device 10 is configured as a so-called conduction cooling type, in which the superconducting coil 14 is directly cooled by the cryogenic refrigerator 20, as an example.
  • the cryogenic device 10 may be an immersion cooling type, in which the superconducting coil 14 is immersed in a cryogenic liquid refrigerant such as liquid helium.
  • the cryogenic refrigerator 20 recondenses the vaporized cryogenic liquid refrigerant, thereby cooling the superconducting coil 14.
  • cryocooler 20 is described as a two-stage GM refrigerator, but in some embodiments, the cryocooler 20 may be a single-stage GM refrigerator. Alternatively, the cryocooler 20 may be a pulse tube refrigerator, a Stirling refrigerator, or any other type of single-stage or multi-stage cryocooler.
  • the present invention can be used in the field of cryogenic equipment.
  • cryogenic device 10 cryogenic device, 12 vacuum vessel, 12a top plate, 14 superconducting coil, 20 cryogenic refrigerator, 30 current input terminal, 32 opening, 40 first cylindrical portion, 42 second cylindrical portion, 44 condensation water reservoir, 44a condensation water tray, 44b condensation water guide, 50 vacuum vessel body, 56 yoke, 56a1 yoke top surface, 58, 60 gap.

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Abstract

極低温装置(10)は、真空容器(12)と、真空容器(12)内に配置される超伝導コイル(14)と、真空容器(12)に設置され、超伝導コイル(14)を冷却する極低温冷凍機(20)と、真空容器(12)に設置され、超伝導コイル(14)に接続された電流導入端子(30)と、極低温冷凍機(20)および電流導入端子(30)の少なくとも一方の真空容器(12)から露出された露出部分の下側で露出部分の周りに設けられた結露水溜まり(44)と、を備える。

Description

極低温装置
 本発明は、極低温装置に関する。
 従来、極低温冷凍機と真空容器とを有する極低温装置が知られている。真空容器内には、例えば、超伝導コイルなどの超伝導機器、極低温環境で使用するその他の機器、さらにはこうした機器を冷却する極低温冷媒など、様々な被冷却物が収容される。極低温冷凍機は、被冷却物を冷却するために利用される。
特開2019-200003号公報
 極低温装置のメンテナンスの際、超伝導コイルへの通電が停止されたり、極低温冷凍機による冷却運転が停止されたりすることがある。このとき、極低温装置の通常運転中とは極低温装置内の熱的なバランスが変化し、真空容器内で極低温冷却されていた超伝導コイルが冷却源となりこれと伝熱可能に接続された極低温装置の構成部品が冷却されうる。こうして、例えば、超伝導コイルへの給電のための電流導入端子や、極低温冷凍機の駆動部など、真空容器の外面で周囲環境に露出された部分が冷却され、この露出部分に周囲の空気中の水分の結露や氷結が生じることがある。そこから結露水が極低温装置上で周囲に広がり、悪影響を及ぼすことが懸念される。例えば、真空容器を囲む磁気シールドやヨークなどの鉄材が濡れて錆の原因となるかもしれない。あるいは、電流導入端子のような通電部への水滴の付着は、漏電など電気系統のトラブルのリスクにつながりうる。
 本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温装置に生じうる結露に対処することにある。
 本発明のある態様によると、極低温装置は、真空容器と、真空容器内に配置される超伝導コイルと、真空容器に設置され、超伝導コイルを冷却する極低温冷凍機と、真空容器に設置され、超伝導コイルに接続された電流導入端子と、極低温冷凍機および電流導入端子の少なくとも一方の真空容器から露出された露出部分の下側で露出部分の周りに設けられた結露水溜まりと、を備える。
 本発明によれば、極低温装置に生じうる結露に対処することができる。
実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。 変形例に係る結露水溜まりを模式的に示す図である。 他の実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。
 以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
 図1は、実施の形態に係る極低温装置10を模式的に示す図である。図1には極低温装置10の内部構造が模式的に示される。極低温装置10は、超伝導磁石装置であり、真空容器12と、真空容器12内に配置される超伝導コイル14と、真空容器12に設置され、超伝導コイル14を冷却する極低温冷凍機20と、真空容器12に設置され、超伝導コイル14に接続された電流導入端子30と、を備える。超伝導磁石装置は、例えば、単結晶引き上げ装置のための磁場源として使用されてもよい。
 真空容器12は、超伝導コイル14を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境を提供する断熱真空容器であり、クライオスタットとも呼ばれる。通例、真空容器12は、円柱状の形状、または中心部に中空部を有する円筒状の形状を有する。よって、真空容器12は、概ね平坦な円形状または円環状の天板12aおよび底板12bと、これらを接続する円筒状の側壁(円筒状外周壁、または同軸配置された円筒状の外周壁および内周壁)とを有する。真空容器12は、周囲圧力(たとえば大気圧)に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。
 超伝導コイル14は、電流導入端子30を通じて外部電源16に接続される。電流導入端子30は、電流リードともしばしば呼ばれる真空容器12内の超伝導コイル14への電流経路の先端にあたる。電流導入端子30は、真空容器12の壁面に設けられ、真空容器12内の気密性を保ちつつ真空容器12の外から内に電流を導入するための気密端子である。図1では簡単のために電流導入端子30を1つだけ図示しているが、電流導入端子30(および電流リード)は一般に、正極側と負極側で少なくとも一対に設けられる。電流導入端子30は、この例では真空容器12の底板12bに設けられている。超伝導コイル14が極低温冷凍機20によって超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で、外部電源18から電流導入端子30を通じて超伝導コイル14に励磁電流が供給される。それにより、超伝導コイル14は、強力な磁場を発生することができる。
 極低温冷凍機20は、冷媒ガス(たとえばヘリウムガス)の圧縮機(図示せず)と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機20の冷凍サイクルが構成され、それにより極低温冷却を提供する。極低温冷凍機20は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機である。極低温冷凍機20は、極低温に冷却される低温部として、第1冷却ステージ22aと第2冷却ステージ22bを備える。これら冷却ステージは、真空容器12の中に配置される。第1冷却ステージ22aおよび第2冷却ステージ22bは、例えば、銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。
 また、極低温冷凍機20は、第1シリンダ24aと、第2シリンダ24bと、コールドヘッド駆動部26と、装着フランジ28とを備える。第1シリンダ24aは、装着フランジ28を第1冷却ステージ22aに接続し、第2シリンダ24bは、第1冷却ステージ22aを第2冷却ステージ22bに接続する。コールドヘッド駆動部26は、第1シリンダ24aとは反対側で装着フランジ28に取り付けられている。
 第1シリンダ24aと第2シリンダ24bは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第2シリンダ24bが第1シリンダ24aよりも小径である。第1シリンダ24aと第2シリンダ24bは同軸に配置され、第1シリンダ24aの下端が第2シリンダ24bの上端に剛に連結されている。極低温冷凍機20がGM冷凍機である場合、第1シリンダ24aと第2シリンダ24bにはそれぞれ、蓄冷材を内蔵した第1ディスプレーサと第2ディスプレーサが収容されている。第1ディスプレーサと第2ディスプレーサは互いに連結され、それぞれ第1シリンダ24aと第2シリンダ24bに沿って往復動可能である。第1シリンダ24aおよび第2シリンダ24bは通例、例えばステンレス鋼など、第1冷却ステージ22aおよび第2冷却ステージ22bに比べて熱伝導率の低い金属材料で形成される。
 コールドヘッド駆動部26は、モータと、モータの出力する回転運動を第1ディスプレーサと第2ディスプレーサの往復動に変換するようにモータをこれらディスプレーサに連結する連結機構とを備える。また、コールドヘッド駆動部26は、第1シリンダ24aと第2シリンダ24bの内部の圧力を高圧と低圧に周期的に切り替える圧力切替弁を備え、この圧力切替弁も同じモータによって駆動される。
 極低温冷凍機20のコールドヘッドは、この例では、真空容器12の天板12aに設置されている。真空容器12の天板12aには、コールドヘッドを真空容器12内に挿し込むための開口部32が設けられている。コールドヘッドは、コールドヘッド駆動部26を上方に向け、第1冷却ステージ22aおよび第2冷却ステージ22bを下方に向けるようにして、縦向きに真空容器12に設置される。コールドヘッド駆動部26は、真空容器12から周囲環境(例えば室温大気圧環境)に露出されている。
 極低温冷凍機20の運転中、第1冷却ステージ22aは、第1冷却温度、例えば30K~80Kに冷却され、第2冷却ステージ22bは、第1冷却温度よりも低い第2冷却温度、例えば3K~20Kに冷却される。
 真空容器12内には、極低温冷凍機20の低温部および超伝導コイル14とともに、輻射熱シールド34が配置される。輻射熱シールド34は、第1冷却ステージ22aと熱的に結合され第1冷却温度に冷却される。輻射熱シールド34は、第1冷却ステージ22aに直接取り付けられ、第1冷却ステージ22aと熱的に結合される。あるいは、輻射熱シールド34は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第1冷却ステージ22aに取り付けられてもよい。輻射熱シールド34は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。輻射熱シールド34は、第2冷却温度に冷却される超伝導コイル14、極低温冷凍機20の第2冷却ステージ22b、およびその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。
 超伝導コイル14は、伝熱部材36を介して第2冷却ステージ22bと熱的に結合され第2冷却温度に冷却される。伝熱部材36は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材であってもよく、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。あるいは、超伝導コイル14は、第2冷却ステージ22bに直接取り付けられてもよい。
 超伝導コイル14が発生させる磁場が外部に漏洩するのを抑制するために、真空容器12は、その外側に磁気シールド38を備えてもよい。磁気シールド38は、真空容器12の天板12a、底板12b、およびこれらを接続する側壁を覆っている。磁気シールド38は、例えば鉄などの磁性材料で形成されている。真空容器12の天板12aに隣接する磁気シールド38の上板38aには、極低温冷凍機20のコールドヘッド駆動部26を受け入れる開口部が形成されており、図示されるように、コールドヘッド駆動部26は、磁気シールド38から上方に突き出して配置されている。
 この実施の形態では、真空容器12は、天板12aの開口部32から真空容器12内へと下方に延びる第1筒部40と、極低温冷凍機20のうち真空容器12から露出された露出部分(すなわちコールドヘッド駆動部26)から第1筒部40の内側へと下方に延びる第2筒部42とを備える。第1筒部40と第2筒部42からなる二重筒が真空容器12内の気密性を保持しつつ、真空容器12の天板12aを開口部32でコールドヘッド駆動部26に接続する。
 第1筒部40は、例えば円筒など中空の筒状の形状を有し、例えばステンレス鋼などの金属材料、またはその他適宜の材料で形成されている。第1筒部40は、その下端に第2筒部42を取り付けるための内フランジを有してもよい。
 第2筒部42は、コールドヘッド駆動部26(より具体的には装着フランジ28)を第1筒部40に接続する。第2筒部42は、変形可能であってもよく、例えばベローズであってもよい。あるいは、第2筒部42は、第1筒部40と同様に、例えばステンレス鋼などの金属材料で形成され、コールドヘッド駆動部26と第1筒部40を剛に接続してもよい。
 なお、第2筒部42に代えて(または第2筒部42とともに)、第1筒部40が変形可能であってもよく、例えばベローズであってもよい。第1筒部40と第2筒部42のうち少なくとも一方を変形可能とすることにより、極低温冷却時に生じうる低温部の熱収縮を吸収することが可能となる。
 上述のように、極低温装置10のメンテナンスの際、超伝導コイル14への通電停止や極低温冷凍機20による冷却の停止に伴って極低温装置10の通常運転中とは極低温装置10内の熱的なバランスが変化しうる。それにより、真空容器12内で極低温冷却されていた超伝導コイル14が冷却源となりこれと伝熱可能に接続された極低温装置10の構成部品、例えば極低温冷凍機20のコールドヘッド駆動部26が冷却されうる。そのため、極低温装置10のメンテナンスの作業中に、コールドヘッド駆動部26には、周囲の空気中の水分が結露しうる。もし、結露水が周囲に拡散したとすると、磁気シールド38に付着するかもしれない。磁気シールド38は鉄材で形成されているため、付着した水は錆の原因となるかもしれない。
 図示されるように、真空容器12の天板12aより下側で第1筒部40と第2筒部42との間には、環状(例えば円環状)の凹みが形成されている。この凹みは、コールドヘッド駆動部26の下側でその周りに設けられているから、結露水を受け止める結露水溜まり44として機能することができる。つまり、コールドヘッド駆動部26に結露した水滴は、この結露水溜まり44へと流れ落ち、そこに回収される。結露水溜まり44に蓄えられた結露水は、必要に応じて(例えば、メンテナンス作業の途中で、またはその終了時に)、拭き取りなどにより除去されてもよいし、あるいは自然蒸発に任せてもよい。こうして、結露水の周囲への拡散を軽減しまたは防止することができる。結露水溜まり44が真空容器12の天板12aに対して磁気シールド38の上板38aとは反対側(つまり、天板12aより下側)に設けられているから、結露水との接触に起因する磁気シールド38の錆発生も緩和されまたは防止される。
 図2は、変形例に係る結露水溜まり44を模式的に示す図である。図1を参照して説明した極低温装置10では電流導入端子30が真空容器12の底板12bに設けられているが、極低温装置10は、真空容器12の天板12aに設けられた電流導入端子30を採用する設計も可能である。上述のコールドヘッド駆動部26と同様に、電流導入端子30にも結露が生じうるので、実施の形態に係る結露水溜まり44は、電流導入端子30に適用されてもよい。
 図示されるように、真空容器12は、天板12aの開口部32から真空容器12内へと下方に延びる第1筒部40と、真空容器12から露出された露出部分、この場合電流導入端子30から第1筒部40の内側へと下方に延びる第2筒部42とを備える。第1筒部40と第2筒部42からなる二重筒が真空容器12内の気密性を保持しつつ、真空容器12の天板12aを開口部32で電流導入端子30に接続する。第2筒部42は、電流導入端子30に接続された電流リード31を収容する筒状のケースであってもよい。第1筒部40と第2筒部42のうち少なくとも一方は、例えばベローズを有してもよく、変形可能であってもよい。
 真空容器12の天板12aより下側で第1筒部40と第2筒部42との間には、結露水溜まり44として機能する環状の凹みが形成されている。結露水溜まり44は、電流導入端子30の下側でその周りに設けられている。第1筒部40と第2筒部42はそれらの下端で結露水溜まり44の底板46により接続されている。なお、この底板46は、上述のように第1筒部40の内フランジであってもよいし、あるいは第2筒部42の外フランジであってもよいし、あるいは第1筒部40および第2筒部42とは別の部材であってもよい。
 矢印48で示すように、結露により電流導入端子30に付着した水滴は、結露水溜まり44へと流れ落ち、そこに回収される。こうして、結露水の周囲への拡散を軽減しまたは防止することができる。結露水溜まり44が真空容器12の天板12aに対して磁気シールド38の上板38aとは反対側に設けられているから、結露水との接触に起因する磁気シールド38の錆発生も緩和されまたは防止される。また、漏電など電気系統のトラブルのリスクも軽減されうる。
 図3は、他の実施の形態に係る極低温装置10を模式的に示す図である。極低温装置10は、超伝導磁石装置であり、真空容器12と、真空容器12内に配置される超伝導コイル14と、真空容器12に設置され、超伝導コイル14を冷却する極低温冷凍機20と、真空容器12に設置され、超伝導コイル14に接続された電流導入端子30と、を備える。超伝導磁石装置は、例えば、サイクロトロンのための磁場源として使用されてもよい。
 真空容器12は、超伝導コイル14を収容する真空容器本体50と、電流リード31を収容する第1筒部52と、極低温冷凍機20を収容する第2筒部54とを備える。真空容器本体50は、天板12aおよび底板12bと、これらを接続する側壁とを有する。第1筒部52は、真空容器本体50の天板12aから上方に突出し、電流リード31のうち真空容器12から露出された露出部分、すなわち電流導入端子30へと延びている。言い換えれば、電流導入端子30は、第1筒部52の上端で真空容器12の周囲環境に露出されている。第2筒部54は、真空容器本体50の天板12aから上方に突出し、極低温冷凍機20のうち真空容器12から露出された露出部分、すなわちコールドヘッド駆動部26へと延びている。コールドヘッド駆動部26は、第2筒部54の上端で真空容器12の周囲環境に露出されている。
 また、極低温装置10は、真空容器12を囲むヨーク56を備える。ヨーク56は、例えば鉄などの磁性材料で形成されている。この例では、ヨーク56は、分割構造を有し、真空容器12の上部を囲む上ヨーク56aと、真空容器12の下部を囲む下ヨーク56bとを有する。上ヨーク56aには、真空容器12の第1筒部52を受け入れる第1開口部が形成され、この開口部内で上ヨーク56aと第1筒部52との間に隙間58が形成されている。同様に、上ヨーク56aには、真空容器12の第2筒部54を受け入れる第2開口部が形成され、この開口部内で上ヨーク56aと第2筒部54との間に隙間60が形成されている。上ヨーク56aは、第1筒部52および第2筒部54を囲むヨーク天面56a1を有する。
 上ヨーク56aは、真空容器12に対して昇降可能であってもよい。例えば、極低温装置10のメンテナンスの際、上ヨーク56aは、下ヨーク56bから分離され、上方に移動されてもよい。これにより、作業者が真空容器12にアクセスするための作業空間が上ヨーク56aと下ヨーク56bとの間に形成されてもよい。メンテナンスの終了時に、上ヨーク56aは、下方に移動され、作業空間は閉鎖され、下ヨーク56bと再び結合されてもよい。
 この実施の形態では、結露水溜まり44は、ヨーク天面56a1上に2つの結露水トレイ44aおよび結露水ガイド44bを備える。結露水トレイ44aおよび結露水ガイド44bは、第1筒部52と第2筒部54それぞれに対応して設けられている。
 第1筒部52に関して、結露水トレイ44aは、電流導入端子30の下側でその周りに設けられている。また、結露水ガイド44bは、第1筒部52と上ヨーク56aとの間の隙間58の上方で隙間58を覆うように配置され、電流導入端子30から流下する結露水を結露水トレイ44aへと導くように構成されている。結露水ガイド44bは、環状であり、その内周縁が第1筒部52の上端に取り付けられその全周にわたり設けられ、外周縁が結露水トレイ44aの上方またはその内側に位置する。よって、結露により電流導入端子30に付着した水滴は、結露水ガイド44bの上面を流れて結露水トレイ44aへと回収される。
 同様に、第2筒部54に関して、結露水トレイ44aは、コールドヘッド駆動部26の下側でその周りに設けられている。また、結露水ガイド44bは、第2筒部54と上ヨーク56aとの間の隙間60の上方で隙間60を覆うように配置され、コールドヘッド駆動部26から流下する結露水を結露水トレイ44aへと導くように構成されている。結露水ガイド44bは、環状であり、その内周縁が第2筒部54の上端に取り付けられその全周にわたり設けられ、外周縁が結露水トレイ44aの上方またはその内側に位置する。よって、結露によりコールドヘッド駆動部26に付着した水滴は、結露水ガイド44bの上面を流れて結露水トレイ44aへと回収される。
 したがって、結露水溜まり44は、結露水の周囲への拡散を軽減しまたは防止することができる。結露水との接触に起因するヨーク56の錆発生も緩和されまたは防止される。また、漏電など電気系統のトラブルのリスクも軽減されうる。
 結露水ガイド44bは、可撓性を有してもよい。結露水ガイド44bは、例えばシリコーン樹脂、またはフッ素系樹脂など、適宜の合成樹脂材料で、例えばシート状に形成され、変形可能であってもよい。このようにすれば、上ヨーク56aが結露水トレイ44aとともに第1筒部52および第2筒部54に対して移動するとき、結露水ガイド44bは自身が変形することによって上ヨーク56aおよび結露水トレイ44aの移動を妨げないので、有利である。
 以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。
 上述の実施の形態では、極低温装置10が極低温冷凍機20によって超伝導コイル14を直接冷却する、いわゆる伝導冷却式として構成される場合を例として説明している。しかし、ある実施の形態においては、極低温装置10は、超伝導コイル14を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸漬する浸漬冷却式であってもよい。この場合、極低温冷凍機20は、気化した極低温液体冷媒を再凝縮し、それにより超伝導コイル14を冷却する。
 上述の実施の形態では、極低温冷凍機20が二段式のGM冷凍機である場合を例として説明しているが、ある実施の形態においては、極低温冷凍機20は、単段式のGM冷凍機であってもよい。あるいは、極低温冷凍機20は、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの単段式または多段式の極低温冷凍機であってもよい。
 実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
 本発明は、極低温装置の分野における利用が可能である。
 10 極低温装置、 12 真空容器、 12a 天板、 14 超伝導コイル、 20 極低温冷凍機、 30 電流導入端子、 32 開口部、 40 第1筒部、 42 第2筒部、 44 結露水溜まり、 44a 結露水トレイ、 44b 結露水ガイド、 50 真空容器本体、 56 ヨーク、 56a1 ヨーク天面、 58,60 隙間。

Claims (7)

  1.  真空容器と、
     前記真空容器内に配置される超伝導コイルと、
     前記真空容器に設置され、前記超伝導コイルを冷却する極低温冷凍機と、
     前記真空容器に設置され、前記超伝導コイルに接続された電流導入端子と、
     前記極低温冷凍機および前記電流導入端子の少なくとも一方の前記真空容器から露出された露出部分の下側で前記露出部分の周りに設けられた結露水溜まりと、を備えることを特徴とする極低温装置。
  2.  前記真空容器は、
      開口部を有する真空容器天板と、
      前記真空容器天板の開口部から前記真空容器内へと下方に延びる第1筒部と、
      前記露出部分から前記第1筒部の内側へと下方に延びる第2筒部と、を備え、
     前記結露水溜まりは、前記第1筒部と前記第2筒部の間に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の極低温装置。
  3.  前記真空容器の外側で前記真空容器天板に隣接する磁気シールド上板を有する磁気シールドをさらに備え、
     前記結露水溜まりは、前記真空容器天板に対して前記磁気シールド上板とは反対側で前記第1筒部と前記第2筒部の間に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の極低温装置。
  4.  前記第1筒部と前記第2筒部のうち少なくとも一方が変形可能であることを特徴とする請求項2または3に記載の極低温装置。
  5.  前記真空容器は、前記超伝導コイルを収容する真空容器本体と、前記真空容器本体から上方に突出し前記露出部分へと延びる筒部とを備え、
     前記極低温装置は、前記筒部を囲むヨーク天面を有するヨークをさらに備え、
     前記結露水溜まりは、前記ヨーク天面に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の極低温装置。
  6.  前記筒部と前記ヨークとの間の隙間の上方で前記隙間を覆うように配置され、前記露出部分から流下する結露水を前記結露水溜まりへと導くように構成された結露水ガイドをさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の極低温装置。
  7.  前記結露水ガイドは、可撓性を有することを特徴とする請求項6に記載の極低温装置。
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