JP2007142075A - クライオスタット - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量化が容易なクライオスタットを提供する。
【解決手段】被冷却体６を冷却する極低温液体４が収容されたほぼ密閉構造の低温容器３と、低温容器３の周囲に真空断熱空間１２を形成する真空容器２と、低温容器３に両端部が支持され、かつ被冷却体６の近傍に取り付けられた外側貫通管５とからなるクライオスタットの外側貫通管５を支持する低温容器３の支持部に、外側貫通管５と低温容器３との熱膨張差を吸収するダイヤフラム３ｄを形成したもので、 外側貫通管５と低温容器３との熱膨張差をダイヤフラム３ｄが吸収するため、低温容器３の支持部に歪や応力が発生するのを防止することができると共に、低温容器３の外側へ突出するベローズが不要となるため、低温容器３を収容する真空容器２が小型化でき、これによってクライオスタット全体の小型軽量化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイルや超電導センサ等の被冷却体を冷却する液体ヘリウムのような極低温液体を収容するクライオスタットに関する。

従来超電導コイルや超電導センサ等を使用した各種工業製品や物理化学実験装置、検査装置、医療用装置には、超電導コイルや超電導センサ等の被冷却体を冷却するための極低温液体（寒剤）を収容したクライオスタットが使用されている。
このクライオスタットには、用途に応じて種々の構造のものがあるが、例えば特許文献１に、その一部が記載されている。
前記特許文献１に記載のクライオスタットは、内部に環状の空間が存在するように形成された真空容器と、この真空容器と同心的に収容された液体ヘリウム容器と、この液体ヘリウム容器と真空容器との間に二重構造に配置された輻射熱シールド板と、輻射熱シールドと真空容器との間及び輻射熱シールド板間にそれぞれ配置された多層断熱材とから構成されていて、液体ヘリウム容器内に、超伝導コイルを冷却する液体ヘリウムが収容されている。

しかし前記構成のクライオスタットでは、室温から液体ヘリウム温度（−２６９℃）に冷却する際、一時的に温度分布の不均一が発生して、被冷却体の近傍に設けられた貫通管と液体ヘリウム容器の間に熱膨張差が発生するため、液体ヘリウム容器と貫通管の接続部に歪や応力が発生し、クライオスタットの耐久性や信頼性を低下させる等の問題がある。
かかる問題を解消するため例えば図３に示すように、熱膨張差をベローズにより吸収するようにしたクライオスタットが実用化されている。

図４に示すクライオスタットは、内部が真空となった真空容器ａ内に、液体ヘリウムや液体窒素等の極低温液体ｂが収容された低温容器ｃが設けられており、低温容器ｃの周囲に真空断熱空間ｋが形成されている。
低温容器ｃの中心部には、一端が低温容器ｃの一方の端板ｄに固着された外側貫通管ｅが設けられていて、この外側貫通管ｅの外周面に超電導コイルのような被冷却体ｆが取り付けられている。
外側貫通管ｅの他端は、低温容器ｃの他方の端板ｄの開口された透孔ｈより低温容器ｃの外側へ突出されており、外側貫通管ｅの先端と透孔ｈの開口縁の間には、外側貫通管ｅの線膨張を吸収しつつ、低温容器ｃの液密を保持する金属製のベローズｉが設けられている。
また外側貫通管ｅの中心部には、外側貫通管ｅより小径な内側貫通管ｊが設けられていて、内側貫通管ｊの両端部は、真空容器ａの端面に設けられた端板ｇに溶接等の手段で気密に固着されていたり、Ｏリングのようなシール手段を介して気密に接続されている。

前記構成のクライオスタットを、例えば食品中の異物を検査する異物検査装置として使用する場合、被検体を内側貫通管ｊ内に置き、極低温液体ｂにより冷却された被冷却体ｆに通電して内側貫通管ｊ内に強磁界を発生させることにより、被検体中に金属等の異物が混入していないかを検査するが、室温状態のクライオスタットに極低温液体を供給して被冷却体ｆを冷却したり、使用を中止してクライオスタットを室温状態に戻す際に、被冷却体ｆの近傍に設けられた外側貫通管ｅが膨張したり収縮して、極低温液体を収容した低温容器ｃとの間で熱膨張差が発生するが、この熱膨張差をベローズｉが吸収するため、低温容器ｃと外側貫通管ｅの接続部に歪や応力が発生しない構造となっている。
特開平７−２２６５８号公報

しかし前記従来のクライオスタットのように、低温容器ｃと外側貫通管ｅの熱膨張差をベローズｉにより吸収するようにしたものでは、真空容器の内と低温容器ｃ内の圧力差に十分に耐える構造の高価なベローズｉを必要とする上、部品点数が多くなるため部品コストが嵩む等の問題がある。
また外側貫通管ｅの先端と低温容器ｃの端板ｄとベローズｉの両端を液密に接続する作業に多くの工数を要するため、組み立て時の作業性が悪いと共に、ベローズｉ部分が低温容器ｃの外側へ突出するため、低温容器ｃを収容する真空容器が大型となり、クライオスタットを小型化する際の妨げとなる等の問題がある。
本発明はかかる問題を改善するためになされたもので、組み立て及び小型軽量化が容易な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。

本発明のクライオスタットは、被冷却体を冷却する極低温液体が収容されたほぼ密閉構造の低温容器と、低温容器の周囲に真空断熱空間を形成する真空容器と、低温容器に両端部が支持され、かつ被冷却体の近傍に取り付けられた外側貫通管とを備えたクライオスタットであって、外側貫通管を支持する低温容器の支持部に、外側貫通管と低温容器との熱膨張差を吸収するダイヤフラムを形成したものである。

前記構成により、外側貫通管が膨張しり、収縮したために発生する低温容器との熱膨張差をダイヤフラムが吸収するため、低温容器の支持部に歪や応力が発生するのを防止することができ、これによってクライオスタットの耐久性及び信頼性を向上することができる。
また低温容器にダイヤフラムを形成するだけでよいため、従来のベローズを設けたものに比べて、低温容器と外側貫通管の接続部にベローズの両端を液密に接続する組み立て作業が不要となり、これによってクライオスタットの組み立て性が格段に向上すると共に、低温容器の外側へ突出するベローズが不要となるため、低温容器を収容する真空容器が小型化でき、これによってクライオスタット全体の小型軽量化が図れる。

本発明のクライオスタットは、低温容器の支持部周辺の肉厚を、他の部分より薄肉にすることにより、ダイヤフラムを形成したものである。

前記構成により、高価なベローズが不要な上、部品点数を少なくできるため、部品コスト削減が図れるようになる。

本発明のクライオスタットは、外側貫通管内に、両端が前記真空容器に気密に固着された内側貫通管を設けたものである。

前記構成により、各種工業製品や物理化学実験装置、検査装置、医療用装置に容易に適用することができる。

本発明のクライオスタットによれば、外側貫通管と低温容器との熱膨張差をダイヤフラムが吸収するため、低温容器の支持部に歪や応力が発生するのを防止することができると共に、低温容器の外側へ突出するベローズが不要となるため、低温容器を収容する真空容器が小型化でき、これによってクライオスタット全体の小型軽量化が図れる。

本発明の実施の形態を、図面を参照して詳述する。
図１はクライオスタットの断面図、図２はクライオスタットの要部を示す拡大図である。
図１に示すクライオスタット本体１は、密閉構造となった筒状の真空容器２を有している。
真空容器２は軸芯がほぼ水平となる筒体２ａと、筒体２ａの両端面を閉鎖する端板２ｂとからなり、全体がステンレスやアルミニウム等の金属、またはガラス繊維や、カーボン繊維により強化された繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）により形成されている。
真空容器２の一方の端板２ｂは着脱自在となっていて、ボルト等の固着具１３により真空容器２の端部に形成されたフランジ２ｄに固定されており、端板２ｂとフランジ２ｄの間には、気密を保持するＯリングよりなるシール手段１４が介在されている。
真空容器２内には、真空容器２より小径な筒体３ａと、筒体３ａの両端面を閉鎖する端板３ｂとからなる低温容器３が同心的に収容されている。
低温容器３は、全体がガラス繊維またはカーボン繊維により強化されたＦＲＰによりほぼ密閉構造に形成されていて、内部に液体ヘリウムや液体窒素からなる極低温液体４が収容されており、真空容器２内を真空状態にすることにより、低温容器３の周囲に真空断熱空間１２が形成されている。

低温容器３は、図２に示すように一方の端板３ｂの中心部にねじ孔３ｃが開口されていて、このねじ孔３ｃに、低温容器３と同心的に設けられた外側貫通管５の一端が、エポキシ樹脂等の接着剤を塗布した後螺挿されている。
外側貫通管５の一端側には大径部５ａが形成されていて、この大径部５ａの外周面に、ねじ孔３ｃに螺挿するねじ部５ｂが形成されており、外側貫通管５の他端側には、低温容器３の他方の端板３ｂの中心部に形成された嵌合孔３ｄに液密に嵌合する嵌合部５ｃが形成されている。
嵌合部５ｃの低温容器３内側端部には、端板３ｂの内側面に当接するストッパ５ｄが円周方向に環状に突設されており、嵌合部５ｃのストッパ５ｄと反対側の端部には、ねじ部５ｅが形成されていて、このねじ部５ｅに螺挿したナット６を締め付けることにより、外側貫通管５の他端が低温容器３の他方の端板３ｂに固着されている。

また他方の端板３ｂの外側面には、嵌合部５ｃを囲むように環状の凹部３ｆが形成されている。
この凹部３ｆの幅Ｗは、嵌合部５ｃの外径を例えば５０ｍｍとした場合、例えば２０ｍｍ程度となっており、深さＤは、端板３ｂの厚さＴを例えば１５ｍｍとした場合、１０〜１４ｍｍとなっており、これによって凹部３ｃの内底部に、厚さｔが１〜５ｍｍの薄肉なダイヤフラム３ｄが形成されている。
そしてこのダイヤフラム３ｄにより後述する作用で、外側貫通管５と低温容器３の熱膨張や熱収縮差を吸収するようになっている。
外側貫通管５の外周部には、図１に示すように超電導コイルよりなる被冷却体６が設けられている。
被冷却体６には、図示しない給電線により電力が供給されるようになっており、低温容器３内に収容された極低温液体４により被冷却体６を冷却することにより、被冷却体６に超電導状態が得られるようになっている。

一方、外側貫通管５内には、外側貫通管５より小径な内側貫通管７が同心的に設けられている。
内側貫通管７の一端側は、真空容器２の端板２ｂの中心部に溶接等の手段で固着され、他端側は端板２ｂの中心部にＯリングのようなシール手段１５を介して気密に嵌合されており、各端板２ｂの外側に開口した端面開口部２ｃより内側貫通管７内に被検体（図示せず）が挿入できるようになっている。
また真空容器２の上部には、下端が真空容器２の外周面に気密に接続された筒状の導入管８が垂直方向に突設されており、導入管８内に信号線（図示せず）を外部へ引き出す極低温液体注入管９が同心的に設けられている。
極低温液体注入管９の上端は、導入管８の上端面を閉鎖する端板８ａに気密に接続されていて、低温容器３や低温容器３内に設けられた被冷却体６の荷重を真空容器２が支持するようになっており、極低温液体注入管９の上面開口は蓋体１０により閉鎖されていて、この蓋体１０に、低温容器３内へ極低温液体４を注入したり、蒸発ガスを排出するための注入排出口１１が設けられている。

次に前記構成されたクライオスタットの作用を説明する。
クライオスタット本体１を異物検査装置に使用する場合は、真空容器２の両端板２ｂの中心部に開口された端部開口部２ｃより内側貫通管７内に被検体を挿入して、被検体に混入した金属片等の異物検査を行う。
異物検査に当たっては、低温容器３内に充填された極低温液体４により冷却された被冷却体６に通電して内側貫通管７内に強磁界を発生させるが、室温状態のクライオスタット本体１に極低温液体を供給して被冷却体６を冷却すると、低温容器３の内部温度に不均一が発生して、被冷却体６の近傍に設けられた外側貫通管５と極低温液体を収容した低温容器３との間で熱収縮差が発生する。

しかし両端が低温容器３の両端板３ｂに固着された外側貫通管５の他端側には、端板３ｂにダイヤフラム３ｄが形成されていて、外側貫通管５が収縮したために発生する低温容器３との熱収縮差をダイヤフラム３ｄが弾性変形することにより吸収するため、低温容器３と外側貫通管５の取り付け部に歪や応力が発生するのを防止することができる。
また使用を中止してクライオスタット本体１を室温状態に戻す際には、被冷却体６の近傍に設けられた外側貫通管５が熱膨張して、低温容器３と外側貫通管５との間で熱膨張差発生するが、このの熱膨張差をダイヤフラム３ｄが弾性変形することにより吸収するため、低温容器３と外側貫通管５の取り付け部に歪や応力が発生するのを防止することもできる。
さらに低温容器３の端板３ｂにダイヤフラム３ｄを形成するだけでよいため、従来のベローズを設けたものに比べて、低温容器３の端板３ｂ及び外側貫通管５にベローズの両端を液密に接続する組み立て作業が不要となり、これによってクライオスタットの組み立て性が格段に向上すると共に、低温容器の外側へ突出するベローズが不要となるため、低温容器を収容する真空容器２が小型化でき、これによってクライオスタット全体の小型軽量化が図れるようになる。

一方前記実施の形態では、内側貫通管７と外側貫通管５を水平方向に設けた横型のクライオスタットについて説明したが、図３に示す変形例のように内側貫通管７と外側貫通管５が垂直となるように真空容器２を縦方向に設置して、縦型のクライオスタットとしてもよい。
この変形例では、低温容器３内に極低温液体を注入する極低温液体注入管９の下端が、低温容器３の端板３ｂ側から低温容器３内に連通されており、極低温液体注入管９の上端側は、真空容器２の端板２ｂを貫通して真空容器２の上方へ突設されていて、極低温液体注入管９の上端部に、低温容器３内へ極低温液体４を注入したり、蒸発ガスする注入排出口１１が設けられている。

また極低温液体注入管９の外周面が端板２ｂに気密に接続されていて、低温容器３や低温容器３内に設けられた被冷却体６の荷重を真空容器２が支持するようになっている。
そして低温容器３の例えば上側の端板３ｂにダイヤフラム３ｄが形成されて、外側貫通管５が熱膨張したり、熱収縮したために発生する低温容器３との熱膨張、熱収縮差をダイヤフラム３ｄが弾性変形することにより吸収するようになっており、これによって低温容器３と外側貫通管５の取り付け部に歪や応力が発生するのを防止できるが、クライオスタット全体としての作用は、前記実施の形態と同様なので、その説明を省略する。

なお前記実施の形態及び変形例では、低温容器３の端板３ｂの一方にのみダイヤフラム３ｄを形成したが、端板３ｂの両方にダイヤフラム３ｄを形成しても勿論よいと共に、外側貫通管５の周囲に環状凹部３ｃを設けてダイヤフラム３ｄを形成するようにしたが、外側貫通管５の周囲の同心円上に複数の円形凹部を等間隔に形成してもよく、環状凹部３ｃを円周方向に複数分割するようにしてもよい。
要は外側貫通管５を支持する低温容器３の支持部周辺の肉厚を、他の部分より薄肉にすることにより、ダイヤフラム３ｄを形成すればよい。
また被冷却体６としては、超電導コイルの他に、超電導磁気センサや、磁場を遮断する超電導シールド等であってもよく、これらを併用したものであってもよいと共に、前記クライオスタットは、異物検査装置のみならず、各種工業製品や、物理化学実験装置、医療用装置等にも適用できるものである。

本発明の実施の形態になるクライオスタットの断面図である。 本発明の実施の形態になるクライオスタットの要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態になるクライオスタットの変形例を示す断面図である。 従来のクライオスタットの断面図である。

符号の説明

１ クライオスタット本体
２ 真空容器
３ 低温容器
３ｄ ダイヤフラム
４ 極低温液体
５ 外側貫通管
６ 超伝導コイル
７ 内側貫通管
１２ 真空断熱空間

Claims (3)

1. 被冷却体を冷却する極低温液体が収容されたほぼ密閉構造の低温容器と、前記低温容器の周囲に真空断熱空間を形成する真空容器と、前記低温容器に両端部が支持され、かつ前記被冷却体の近傍に取り付けられた外側貫通管とを備えたクライオスタットであって、前記外側貫通管を支持する前記低温容器の支持部に、前記外側貫通管と前記低温容器との熱膨張差を吸収するダイヤフラムを形成したことを特徴とするクライオスタット。
2. 前記低温容器の支持部周辺の肉厚を、ほかの部分より薄肉にすることにより、前記ダイヤフラムを形成してなる請求項１に記載のクライオスタット。
3. 前記外側貫通管内に、両端が前記真空容器に気密に固着された内側貫通管を設けてなる請求項１または２に記載のクライオスタット。
   

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