JP2000312036A - 低温容器内に配置される重量構造物の支持構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱収縮により大きな変形を生じる大型の超電
導磁石装置にも適用できる重量構造物の支持構造を提供
すること。 【解決手段】 真空容器１０内において、超電導コイル
１１ａ、１１ｂ及びその巻枠としてのコイル冷却用熱伝
導体１３を支持するために真空容器の底部に周方向に間
隔をおいて複数箇所に荷重支持体１６ａが配置されてい
る。各荷重支持体とコイル冷却用熱伝導体との間は支持
部材２０で連結される。支持部材は、複数の板を重ね合
わせ、しかもそれらの上下端部を交互に接続して成る構
造体を持つことにより、低温に伴う超電導コイル及びコ
イル冷却用熱伝導体の熱収縮を吸収するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低温容器内に配置さ
れる重量構造物の支持構造に関し、特に冷凍機冷却型の
超電導磁石装置において超電導コイルを含む重量構造物
の支持構造に関する。この種の冷凍機冷却型超電導磁石
装置は、特に溶融シリコンから単結晶半導体を製造する
単結晶成長装置における溶融シリコンに磁界を与える磁
界発生源に適している。

【０００２】

【従来の技術】シリコン単結晶製造においては、多結晶
シリコンを溶融し単結晶種結晶に結晶成長させるチョク
ラルスキー法（ＣＺ法）が知られている。この方法で
は、溶融シリコンが坩堝内で溶融するために、熱対流が
発生して生成する単結晶の品質が低下する場合がある。
そこで、生成した単結晶の品質向上などを目的に、溶融
シリコンに磁界を印加し、電磁制動により対流を抑制す
る方法が知られている。この方法は、磁界印加式チョク
ラルスキー法（ＭＣＺ法）と呼ばれている。

【０００３】磁界の印加方式としては、縦磁界方式、横
磁界方式、カスプ磁界の３種類が知られており、その一
例が、特開平８−１８８４９３に開示されている。磁界
印加の手段としては、常電導磁石、超電導磁石が利用さ
れている。しかし、常電導磁石は、鉄心の利用が不可欠
なため重量が大きくなり、膨大な電力と冷却水とを必要
とする。一方、超電導磁石は、通常、液体へリウム冷却
が必要なため、装置が複雑、大型化する。また、液体へ
リウムの取り扱いが煩雑で、操作員の熟練が必要であ
る。更に、液体ヘリウムの補給が必要で、液体ヘリウム
費用が大きい。

【０００４】ところで、酸化物超電導電流リードを使用
し、超電導コイルを小型冷凍機のみで伝導冷却する超電
導磁石（ヘリウムフリー超電導磁石）装置が提供されて
いる。この種の超電導磁石装置は、冷凍機冷却型超電導
磁石装置と呼ばれ、操作が簡単であり、シリコン単結晶
引き上げ装置に適していると考えられている。

【０００５】冷凍機冷却型超電導磁石装置は、単結晶成
長装置の周囲に配置され、磁界を発生するための超電導
コイルを収容した真空容器と、この真空容器の上部に配
置され、超電導コイルを冷却するための冷凍機とを備え
ている。超電導コイルは、真空容器内で巻枠としてのコ
イル冷却用熱伝導体で支持されている。冷凍機の冷凍ス
テージは真空容器内にあってコイル冷却用熱伝導体に設
けられた接続部の近くまで延びている。真空容器内には
また、輻射熱の侵入を防止するための熱シールド板が配
置されている。

【０００６】ところで、このような超電導磁石装置で
は、真空容器内の超電導コイル及び熱遮蔽を担う熱シー
ルド板は、極低温に冷却されると熱収縮のため各材料の
持つ物性により大きく変形をする。

【０００７】真空容器内の重量物である超電導コイルや
熱シールド板は、真空容器側に固定された荷重支持体に
よって固定され所定の構造位置を保たれる。ここで、先
にあげた、熱収縮による変形に対して荷重支持体は、そ
の位置変化に追従するか、変形を逃がす構造が要求さ
れ、その構造は様々な工夫を必要としている。

【０００８】通常、荷重支持体は、荷重に耐え得る剛性
力と常温部（３００Ｋ）から極低温部（７７Ｋ〜４．２
Ｋ）へ熱を侵入させ難い材料が必要である。これを考慮
して、従来の荷重支持体の材料は、金属の中でも熱侵入
量の少ない物性を持つステンレス材や、熱侵入量の少な
い材料である樹脂では剛性の高いＧＦＲＰ（ガラス強化
繊維樹脂）が一般的であり、板状あるいは円柱形状の部
品として使われている。

【０００９】一方、超電導コイルの巻枠や熱シールド板
に使用されている材料は、銅やステンレスであり、これ
らの熱収縮量は常温から７７Ｋあるいは４．２Ｋに冷却
された場合、１ｍの長さのものが約３ｍｍ縮む物性を有
している。

【００１０】図５は、熱収縮量が１ｍｍ以内で済むよう
な小型の超電導磁石装置を左側の部分について示してい
る。このような超電導磁石装置では、熱収縮による変形
が小さいため荷重支持体に曲げを与えることで対応する
ようにしている。

【００１１】図５において、超電導磁石装置は、磁界を
発生するための超電導コイル５１を収容した二重筒型の
真空容器５０と、この真空容器５０の上部に配置され、
超電導コイル５１を冷却するための冷凍機（図示せず）
とを備えている。超電導コイル５１は、筒状の巻枠５２
に巻回されている。この例では、超電導コイル５１及び
巻枠５２を上方から吊り下げることで支えるようにして
いる。このために、真空容器５０の上部蓋には、周方向
に間隔をおいて複数箇所に上部荷重支持体５３が設けら
れている。上部荷重支持体５３の下端部には環状の上部
支持板５４が取り付けられている。上部支持板５４の下
側には、上部荷重支持体５３と対応する箇所に下部荷重
支持体５５が設けられている。下部荷重支持体５５の下
端部には環状の下部支持板５６が取り付けられている。
この下部支持板５６に巻枠５２が固定されている。真空
容器５０内にはまた、輻射熱の侵入を防止するために、
下部荷重支持体５５、下部支持板５６、及び超電導コイ
ル５１を囲むように熱シールド板５７が配置されてい
る。

【００１２】この例では、上部支持板５４、下部支持板
５６に作用する熱収縮により上部荷重支持体５３、下部
荷重支持体５５に作用する変形を逃がす構造でなく、荷
重支持体自体が変形に対して追従する構造である。

【００１３】一方、熱収縮量が１ｍｍ以上生じる超電導
磁石装置に用いる荷重支持体は、それを逃がす構造を備
えることが必要である。

【００１４】図６は、熱収縮量が１ｍｍを越えるような
超電導磁石装置を左側の部分について示している。図６
において、超電導磁石装置は、磁界を発生するための超
電導コイル６１を収容した二重筒型の真空容器６０と、
この真空容器６０の上部に配置され、超電導コイル６１
を冷却するための冷凍機（図示せず）とを備えている。
超電導コイル６１は、筒状の巻枠６２に巻回されてい
る。この例でも、超電導コイル６１及び巻枠６２を上方
から吊り下げることで支えるようにしている。このため
に、真空容器６０の上部蓋には、円筒状の上部ハイムカ
ラム支持体６３が設けられている。上部ハイムカラム支
持体６３の下端部には環状の上部支持板６４が取り付け
られている。上部支持板６４の下側には、上部ハイムカ
ラム支持体６３と対応する箇所に円筒状の下部ハイムカ
ラム支持体６５が設けられている。下部ハイムカラム支
持体６５の下端部には環状の下部支持板６６が取り付け
られている。この下部支持板６６に巻枠６２が固定され
ている。真空容器５０内にはまた、輻射熱の侵入を防止
するために、下部ハイムカラム支持体６５、下部支持板
６６、及び超電導コイル６１を囲むように熱シールド板
６７が配置されている。

【００１５】ここで、ハイムカラム支持体というのは、
図７に示されるように、複数の円筒６３−１、６３−
２、６３−３をスペーサ６３−４を介在させて多重筒構
造とすることで荷重支持体の許容できる曲げを増幅でき
るもので、軸方向の剛性も維持できる構造である。ま
た、多重筒構造であるため、熱侵入の軽減にも有利なも
のとなっている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５の
荷重支持構造では、熱収縮量が１ｍｍを越えるような大
型の超電導磁石装置には適用できない。一方、図６の荷
重支持構造では、ハイムカラム支持体の製作上の複雑さ
や、占有するスペースが大きいなどの問題点がある。

【００１７】そこで、本発明の課題は、熱収縮により大
きな変形を生じる大型の超電導磁石装置にも適用できる
重量構造物の支持構造を提供することにある。

【００１８】本発明の他の課題は、上記の課題を簡単な
構造で実現できるようにすることにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、低温容器内に
重量構造物を収容し、該重量構造物を複数箇所において
荷重支持体で支持する支持構造において、前記重量構造
物と前記各荷重支持体との間を、複数の板を重ね合わ
せ、しかもそれらの上下端部を交互に接続して成る構造
体を持つ支持部材で連結することにより、低温に伴う前
記重量構造物の熱収縮を吸収するようにしたことを特徴
とする。

【００２０】前記低温容器が、内筒と外筒とを持つ二重
筒容器である場合、前記重量構造物は筒状である。

【００２１】前記低温容器が超電導コイルを収容してい
ると共に、これを冷却するための冷凍機を備えた真空容
器である場合、前記重量構造物は前記超電導コイル及び
その巻枠としてのコイル冷却用熱伝導体であり、前記真
空容器の底部に周方向に間隔をおいて複数箇所に配置さ
れた前記各荷重支持体と前記コイル冷却用熱伝導体との
間が前記支持部材で連結される。

【００２２】前記超電導コイル及び前記コイル冷却用熱
伝導体は更に、前記真空容器内において二重筒状の容器
を構成する熱シールド容器内に収容されており、前記荷
重支持体は前記熱シールド容器の底部に設けられた開口
を通して前記熱シールド容器内まで延びており、前記熱
シールド容器の底部と前記荷重支持体との間を、ハイム
カラム構造の支持体で連結する。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明による支持構造を説明する
前に、本発明が適用されるのに適した冷凍機冷却型超電
導磁石装置について説明する。

【００２４】図４を参照して、この冷凍機冷却型超電導
磁石装置は、図示しない単結晶成長装置の周囲に配置さ
れ、磁界を発生するための超電導コイル１１ａ、１１ｂ
を収容した真空容器１０と、真空容器１０の上部に配置
され、超電導コイル１１ａ、１１ｂを冷却するための１
個以上の冷凍機１２とを備えている。冷凍機１２には、
冷媒であるヘリウムガスを圧縮して供給、循環するため
の圧縮機が接続される。簡単に言えば、図示されている
冷凍機１２は、ヘリウムガスの導入及び排出を切換える
ためのロータリバルブを切換える電動機と、ディスプレ
ーサに連結されてその往復運動を回転運動に変え、その
往復運動の上下限を設定するための運動変換機構を備え
ている。詳しくは、特公昭６３−５３４６９に開示され
ているので、ここでは図示、説明は省略する。

【００２５】超電導コイル１１ａ、１１ｂは、真空容器
１０内で巻枠としてのコイル冷却用熱伝導体１３で支持
されている。コイル冷却用熱伝導体１３は銅、アルミニ
ウムなどの熱伝導率の大きな材料で形成される。

【００２６】この例では、冷凍機１２は、５０Ｋの第一
段コールドヘッド１２−１１を持つ一段目の冷凍ステー
ジ１２−１と４Ｋの第二段コールドヘッド１２−２１を
持つ二段目の冷凍ステージ１２−２とを持つ２段式冷凍
機である。冷凍ステージ１２−１、１２−２は真空容器
１０内にあり、特に冷凍ステージ１２−２はコイル冷却
用熱伝導体１３に設けられた接続部１３−１の近くまで
延びている。そして、冷凍ステージ１２−２の先端の第
二段コールドヘッド１２−２１と接続部１３−１との間
を可撓性を有する伝熱部材１４で接続している。

【００２７】真空容器１０は、単結晶成長装置の周囲を
囲むことのできる二重円筒構造を有しており、コイル冷
却用熱伝導体１３も円筒形状に作られている。すなわ
ち、単結晶成長装置は、真空容器１０の内側に形成され
る空間に配置される。超電導コイル１１ａ、１１ｂは、
単結晶成長装置の坩堝内の溶融シリコンに対してカプス
状磁界を与えるための２つのスプリット型コイルであ
る。これら２つのスプリット型コイルによる超電導コイ
ル１１ａ、１１ｂは、コイル冷却用熱伝導体１３の上下
において真空容器１０の中心と同心となるように巻回さ
れている。

【００２８】更に、２つの超電導コイル１１ａ、１１ｂ
及びコイル冷却用熱伝導体１３は、冷凍ステージ１２−
２及び伝熱部材１４と共に、真空容器１０内に配置され
た二重円筒型の熱シールド容器１５に収容されている。
この熱シールド容器１５は、輻射熱の侵入を防止するた
めのものである。２つの超電導コイル１１ａ、１１ｂ、
コイル冷却用熱伝導体１３、及び熱シールド容器１５
は、真空容器１０内の上下において周方向に間隔をおい
て設けられた複数の荷重支持体１６ａ、１６ｂで支持さ
れている。

【００２９】このような冷凍機冷却型超電導磁石装置
は、特願平１０−５９５５号に開示されている。

【００３０】本発明の実施の形態を、上述した冷凍機冷
却型超電導磁石装置の荷重支持体１６ｂに対応する箇所
に適用する場合について説明する。

【００３１】図１は、本発明が適用された冷凍機冷却型
超電導磁石装置を、図４に示されたものの右側について
示しており、図４と同じ部分には同じ番号を付してい
る。

【００３２】真空容器１０の底部には周方向に間隔をお
いて複数箇所にＧＦＲＰによる荷重支持体１６ｂが配置
されている。そして、各荷重支持体１６ｂとコイル冷却
用熱伝導体１３との間が支持部材２０で連結されてい
る。

【００３３】支持部材２０は、図２、図３にも示される
ように、複数の板２１を重ね合わせ、しかもそれらの上
下端部を交互に接続して成る構造体を持つ。上下端部の
接続は、例えば溶接にて行われる。構造体の一端側（図
２中、左側）の板２１は、固定金具２２を介してコイル
冷却用熱伝導体１３にボルト等で固定される。構造体の
他端側（図２中、右側）の板２１は、その上端部におい
てＬ形の固定金具２３に溶接固定されている。固定金具
２３には、はすかい状の補強板２４が設けられている。
固定金具２３は荷重支持体１６ｂの上端に固定されてい
る。

【００３４】超電導コイル１１ａ、１１ｂ及びコイル冷
却用熱伝導体１３は、真空容器１０内において二重筒状
の熱シールド容器１５内に収容されている。荷重支持体
１６ｂは熱シールド容器１５の底部に設けられた開口を
通して熱シールド容器１５内まで延びている。本例で
は、熱シールド容器１５の底部と荷重支持体１６ｂとの
間を、図７で説明した円筒状のハイムカラム構造の支持
体２５−１、２５−２で連結するようにしている。すな
わち、荷重支持体１６ｂを間にして、その内側と外側に
支持体２５−１、２５−２が設けられている。

【００３５】例えば、約２ｍの直径を有する大型の超電
導磁石装置において極低温に冷却される超電導コイル１
１ａ、１１ｂやコイル冷却用熱伝導体１３、熱シールド
容器１５は、半径分で約３ｍｍ中心方向に縮むことにな
り、その変形を吸収する荷重支持体は、熱収縮を逃がす
構造を有することが必須である。

【００３６】本構成では、熱シールド容器１５の支持は
周知のハイムカラム構造とし、超電導コイル１１ａ、１
１ｂ側は、ステンレスの板２１を重ね合わせたアコーデ
オン構造の支持部材２０で支持する構造とした。

【００３７】この超電導磁石装置の構成は、内径約１６
００ｍｍ、外径約２１００ｍｍのドーナツ形真空容器を
前提としているものである。真空容器（ステンレス）１
０の内部には、熱シールド容器（銅）１５があり、真空
容器１５と同様のドーナツ形をしている。荷重支持体１
６ｂは通常、支持される重量構造物の大きさにより配置
数を考慮するが、本形態の場合は、真空容器１０その他
と同心円上に等配角度で８個所に設けている。

【００３８】アコーデオン構造たる支持部材２０の特徴
は、超電導コイル１１ａ、１１ｂ側が冷却されて中心方
向へ熱収縮していくに伴い、図２に示す如く、アコーデ
オン部分が拡張してＧＦＲＰによる荷重支持体１６ｂに
かかる曲げ応力を緩和する仕組みである。アコーデオン
部の重ね板構造は、１ｍｍ〜２ｍｍ程度の厚みの四角形
板を数枚重ね合わせ、上下端部を交互に溶接したもので
ある。設計上、熱収縮量に応じて板２１の厚み・重ね枚
数・板の縦横寸法を決定する。また、アコーデオン部の
持つバネ力は荷重支持体１６ｂの持つ曲げ剛性よりも小
さくとるようにする。

【００３９】以上の支持構造により、本形態において
は、１ｍ当たり３ｍｍ以上の熱収縮が生じるような超電
導磁石装置でも、十分にその熱収縮を吸収し、荷重支持
体１６ｂにかかる曲げ応力を緩和することができる。な
お、上記の形態では図４に示された上側の荷重支持体１
６ａは不要であるが、上側の荷重支持体１６ａを備える
場合には、この上側の荷重支持体１６ａにも同様な支持
構造が適用される。

【００４０】本発明は、上記のような大型の超電導磁石
装置のみならず、低温装置における真空容器内にある、
大きな熱収縮がおこる重量構造物の荷重支持に有効であ
り、荷重支持体には垂直荷重のみで横方向ににかかる曲
げ荷重がかからないため、荷重支持体の設計的剛性力を
過大にすること無く、その分、熱侵入量を抑えることが
可能となる。

【００４１】上記の形態のような構造であって、超電導
コイル（４．２Ｋ）と熱シールド容器（５０〜７０Ｋ）
の熱遮蔽を有するような複数の構造物を支持する場合、
超電導コイルを支持する部分のスペースを取らないた
め、設計が簡略化でき経済的である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、熱収縮により大きな変形を生じる大型の超電導磁石
装置にも適用できる重量構造物の支持構造を簡単な構造
で実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を冷凍機冷却型超電導磁石
装置に適用した場合の縦断面図である。

【図２】図１に示された支持部材の動作を説明するため
の図である。

【図３】図１に示された支持部材を上から見た図であ
る。

【図４】本発明が適用される冷凍機冷却型超電導磁石装
置を示した縦断面図である。

【図５】従来の冷凍機冷却型超電導磁石装置における超
電導コイルの支持構造の一例を示した縦断面図である。

【図６】従来の冷凍機冷却型超電導磁石装置における超
電導コイルの支持構造の他の例を示した縦断面図であ
る。

【図７】図６におけるハイムカラム支持体を示した図で
ある。

【符号の説明】

１０ 真空容器 １１ａ、１１ｂ 超電導コイル １２ 冷凍機 １２−１ 第一段の冷凍ステージ １２−２ 第二段の冷凍ステージ １２−１１ 第一段コールドヘッド １２−２１ 第二段コールドヘッド １２−２２ コールドヘッド延長部 １３ コイル冷却用熱伝導体 １３−１ 接続部 １４ 伝熱部材 １５ 熱シールド容器 １６ａ、１６ｂ 荷重支持体 ２０ 支持部材 ２１ 板 ２２、２３ 固定金具 ２４ 補強板 ２５−１、２５−２ 支持体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低温容器内に重量構造物を収容し、該重
   量構造物を複数箇所において荷重支持体で支持する支持
   構造において、前記重量構造物と前記各荷重支持体との
   間を、複数の板を重ね合わせ、しかもそれらの上下端部
   を交互に接続して成る構造体を持つ支持部材で連結する
   ことにより、低温に伴う前記重量構造物の熱収縮に起因
   する応力を緩和するようにしたことを特徴とする重量構
   造物の支持構造。
2. 【請求項２】 請求項１記載の支持構造において、前記
   低温容器は、内筒と外筒とを持つ二重筒容器であり、前
   記重量構造物は筒状であることを特徴とする重量構造物
   の支持構造。
3. 【請求項３】 請求項２記載の支持構造において、前記
   低温容器は超電導コイルを収容していると共に、これを
   冷却するための冷凍機を備えた真空容器であり、前記重
   量構造物は前記超電導コイル及びその巻枠としてのコイ
   ル冷却用熱伝導体であり、前記真空容器の底部に周方向
   に間隔をおいて複数箇所に配置された前記各荷重支持体
   と前記コイル冷却用熱伝導体との間が前記支持部材で連
   結されていることを特徴とする重量構造物の支持構造。
4. 【請求項４】 請求項３記載の支持構造において、前記
   超電導コイル及び前記コイル冷却用熱伝導体は更に、前
   記真空容器内において二重筒状の容器を構成する熱シー
   ルド容器内に収容されており、前記荷重支持体は前記熱
   シールド容器の底部に設けられた開口を通して前記熱シ
   ールド容器内まで延びており、前記熱シールド容器の底
   部と前記荷重支持体との間を、ハイムカラム構造の支持
   体で連結したことを特徴とする重量構造物の支持構造。