JPH0272604A - 極低温装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、クライオスタットに係り、特に断熱性能が優
れ、しかも小形化が容易な極低温装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、実開昭５９−１４６９７１号公報に記載
のように極低温装置の着脱式電流リードの挿入ボート及
び液体ヘリウム注入配管、および、液体窒素注入配管は
、それぞれの配管からの伝導熱を少なくして液体ヘリウ
ム、液体窒素の消費量を小さくするため、真空容器の上
部に突出させてそれぞれの配管の長さを長くして伝導距
離を確保していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、天井高さが低い場所での液体ヘリウム
供給作業や着脱電流リードを超電導磁石に取付ける作業
ができないため、この作業が十分行えるよう天井の一部
を高くしたり、逆に据え付場所を低くすることなどの建
屋の改造が必要となり問題となっていた。

本発明の目的は、装置据付は建屋の改造がなくともヘリ
ウム供給作業や電流リードの着脱作業が行えるように超
電導磁石の高さを低くし、しかも、断熱性能の優れた極
低温装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、従来、着脱電流リードの配管及び液体ヘリ
ウム配管を上部に突き出した形状から、逆に、液体ヘリ
ウム容器の内部に埋め込むこと、さらに、液体ヘリウム
注入配管を一部分二重管にすることにより、達成される
。

本発明の極低温装置は、超電導体を収納した冷媒容器と
その冷媒容器をとり巻く輻射シールド板とその輻射シー
ルドを包囲した真空容器と真空容器の上部から下方の前
記冷媒容器に垂直に導入される第１の筒を有する極低温
装置において、前記冷媒容器の上面の一部を前記冷媒容
器の底の方向に掘り込み、前記第１の筒とその掘り込み
部で接合したことを特徴とする。

尚、輻射シールド板が前記掘り込み部に沿い、かつ、前
記輻射シールドと前記第１の筒との接続部が航記第１の
筒と前記冷媒容器との接合部から離れていること（特に
、電流リードの配管も液体ヘリウム注入管も共にこの構
造とすることが望ましい）。前記第１の筒と前記冷媒容
器接合部に別の第２の筒を接合し、前記第２の筒の他端
を前記冷媒容器の内部の上部に設け、さらに、前記第２
筒の内部に第３の筒を設けて、その第３の筒の一端を前
記冷媒容器の内部の底部に取付けたことが好ましい態様
である。

〔作用〕

着脱電流リード配管及び液体ヘリウム注入配管を液体ヘ
リウム容器の上板を掘り込んで、それぞれの配管を液体
ヘリウム容器の低部まで掘り下げることにより、従来、
液体ヘリウム容器の上部に突出していた着脱電流リード
配管及び液体ヘリウム注入配管の長さ分だけを液体ヘリ
ウム容器の内部に沈めることができるため、従来真空フ
ランジから高く突出していたポートはなくなる。また、
液体ヘリウム注入配管を途中から二重管構造とするため
一本の配管ボートで液体ヘリウム容器の上部または下部
に液体ヘリウムを分離して流すことが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図から第６図を参照して
説明する。

第１図は、本発明を超電専ＮＭＲ分析計の超電導磁石に
適用した実施例である。以下、実施例の構成の説明をす
る。超電導コイル１は、液体ヘリウム２で冷却され、超
電導コイル１と液体ヘリウム２と共にヘリウム容器３の
内部に収納されている。ヘリウム容器３は、中間輻射シ
ールド４と８０に輻射シールド５で包みこまれている。

６は。

８０に輻射シールドを冷却するための液体窒素７と窒素
容器８である。９は、ヘリウム容器３、中間シールド４
、窒素容器８そして８０にシールドを真空断熱するため
の真空容器である。超電導コイル１、ヘリウム容器３、
中間輻射シールド４．８０に輻射シールド５′、窒素容
器８、真空容器９、はほぼすべて同心円筒状に配置され
Ｃいる。

１０は、着脱電流リードである。１１は、着脱電流リー
ドとヘリウム容器３に取付けたコネクター１２に接続す
るときのガイドと蒸発したヘリウムガスを大気に吐出す
る配管を兼ねた電流リード配管である。この電流リード
配管１１は、常温の真空容器９の上部フランジの一部を
液体ヘリウム中に深く掘りこんだ部分と接続されている
。また、電流リード配管１１と同じ位置に相当する中間
輻射シールド４と８０に輻射シールド５は、第１図に示
すとおり、電流リード配管１１と同心状に形成して、ヘ
リウム容器３内に掘りこみ、それぞれ、電流リード配管
１１と熱的に接続されている。

１３は、ガス配管で、蒸発したヘリウムガスを電流リー
ド配管１１に導くことができる。また、超電導コイル１
の配線１４をコネクター１２に導入接続する働きがある
。

１５は、液体ヘリウ１１注入管で、構造は、電流リード
配管と同じくヘリウム容器３の上部フランジを深く掘り
こんだものである。中間輻射シールド４と８０に輻射シ
ールド５と、この液体ヘリウム注入管１５の接続も第１
図に示すように、電流リード配管１１と同じ構造である
。１６は、液体ヘリウムを液体ヘリウムデユワ−（図示
せず）から超電導磁石に供給するためのトランスファー
チューブである。トランスファーチューブは、断熱二重
配管となっている。１７は、液体ヘリウムをヘリウム容
器３の底に導く注入配管１８とトランスファーチューブ
を接続するジヨイントである。

１９は、液体ヘリウム注入側のガス配管である。

また、このガス配管工９は、液体ヘリウム注入管１５の
低温部から注入配管１８と一部同心二重管となっている
。２０と２１は、それぞれ、液体窒素注入管と窒素ガス
吐出管である。２２と２３は、ヘリウムガス吐出管であ
る。

次に第１図に示した超電導磁石の動作の説明をする。超
電ｉＮＭＲ分析用超電導磁石の据付時の問題として、超
電導磁石の全体の高さが約１８０１と高いため、超電導
磁石の励磁及び液体ヘリウムの供給の作業を含めて考え
ると、現状では、天井高さが３００ａａ以上の建屋が必
要となっている。

建屋天井が低い所に据付なければならない場合は、超電
導磁石の上方に位置する天井を高くしたり、また、逆に
床を一段低くしたり建屋の改造が必要となっていた。本
特許は、上記問題を解決するため、従来、電流リード配
管１１と液体ヘリウム注入管１５が真空容器９の上部に
突出していた長さ分を、逆に、ヘリウム容器３の一部を
掘りこんだ構造とすることにより電流リード配管１１と
液体ヘリウム注入管１５の突出部をなくしたことを特徴
としている。配管１１と１５により超電導コイル１等を
懸垂支持する場合、上部突出型に比べ重心の位置が支点
に対し高くなってくるので、更に支持用の配管又は支持
体を付加するのが望ましい。

液体ヘリウム初期供給時は、蒸発したヘリウムガスの顕
熱を有効に使うため液体ヘリウムをヘリウム容器１１の
底部に吹き出すこと、及びヘリウム容器に溜っている状
態での液体ヘリウム補給は、万が−、トランスファーチ
ューブ１６から、室温のヘリウムガスが直接液体ヘリウ
ムに触れて、ガスと液が熱変換し、溜っていた液体ヘリ
ウム全部を大気に放出しないこと、また、それにともな
って、超電導コイル１がクエンチしないようにするため
、液体ヘリウムをヘリウム容器３の上部に吹き出すこと
が必要となっている。つまり、液体ヘリウム注入口は、
超電導コイル１を安全に運転するため、ヘリウム容器３
の上部と下部の２ケ所に設けることが必要となっている
。これを満足するため、一般には、液体ヘリウム注入管
を２本使用して、それぞれ、ヘリウム容器３の上部と下
部に液体ヘリウムを流している。しかし、超電ｉＮＭＲ
分析用超電導磁石は、液体ヘリウムの消費量が少なく、
また、液体ヘリウムの補給期間の長いものが望まれてい
る。液体ヘリウム注入管を増やすことは、逆に液体ヘリ
ウムの消費量を増大させることになるので望ましくない
。

本発明の第２の特徴は、電流リード配管１１と液体ヘリ
ウム注入管１５が真空容器９の上部フランジから突出し
ている部分が少なく、さらに、液体ヘリウム注入管は一
本で構成される点である。

液体ヘリウムをヘリウム容器３の上部と下部に流し分け
る方法を、第１図、第２図及び第３図を使って説明する
。第２図と第３図は、トランスファーチューブ１６と注
入管１８の接続部の拡大図である。また、矢印は、液体
ヘリウムの流れる力面を示している。トランスファーチ
ューブ１６の先端に、ねじで取付けたジヨイント１７は
、注入管の内部（第２図）と外部（第３図）に流し分け
られるように２種類のものがある。必要に応じて、２種
類のジヨイントを使い分け、液体ヘリウムをヘリウム容
器３の底に流しこみたいときは、第２図に示したジヨイ
ント１７ａをトランスファーチューブ１６の先端に取付
けて、そのジヨイント１７ａと注入管１８を密着するだ
けでよい。液体ヘリウムをヘリウム容器３の上部に流し
たいときは、第３図に示したジヨイント１７ｂをトラン
スファチューブ１６の先端に取付は注入管１８と接続す
ればよい。このように、液体ヘリウム注入管１５が一本
でも二種類のジヨイント１７ａ、１７ｂを用いることで
液体ヘリウムをヘリウム容器３の上部と底部に容易に流
し分けることができる。液体ヘリウム注入管から液体ヘ
リウムの伝導熱は、注入管１８とガス管１９のすき間か
ら入ったヘリウムガスが液体ヘリウム注入管１５を通る
際、液体ヘリウム注入管１５を冷却するため数ｍＷ程度
に十分小さくできる。

また、液体ヘリウム注入管１５の低湿部と真空容器９の
上部の室温部との距離を十分長くとり、しかも、その間
に、中間シールド４．８０に輻射シールド５をある間隔
を保って液体ヘリウム注入管と接続しており、中間輻射
シールド４の温度を約４０Ｋに維持できるので、液体ヘ
リウム注入管１５からの液体ヘリウムへの伝導熱を少な
くすることができる。液体ヘリウム注入管１５の材質は
、溶接と加工性が良く、また熱伝導率の小さなステンレ
ス鋼を使っている。電流リード配管１１の侵入熱も液体
ヘリウム注入管１５と同じ考え方で液体ヘリウムの伝導
熱を小さくしている。ヘリウム表面上にアルミニウム粘
着テープまたは、アルミニウムポリエステルフィルムを
貼付けて輻射率を小さくすることで、液体ヘリウムのふ
く射熱を軽減している。液体ヘリウムの蒸発量は、液体
ヘリウム容積が１００２で約１０ｃｃ／ｈとなる。液体
窒素への侵入熱は、室温の真空容器からの輻射熱が大半
を占める。このため、エンボス（凹凸）加工したアルミ
ニウム蒸着フィルムとアルミニウム蒸着した平坦なフィ
ルムとを交互に約３０層積層したものを窒素容器８の外
周と８０に輻射シールドの外側に巻き付けることで、輻
射熱を小さくしている。

第４図は、本発明の他の実施例を示したもので同一符号
は、同一部品表わす。５６は、ガスガイドでヘリウム容
器３の上部フランジを掘り込んだ空間５ａの外周を包囲
している。蒸発したヘリウムガスは、掘り込んだ部分５
ａとガスガイド５ｂの間隙を通り電流リード配管１１、
ガス吐出管２３から大気中に放出される。第４図のよう
に形成すると、室温の真空容器３と電流リード配管１１
の接続部と、掘り込んだ空間部分５ａとヘリウム容器３
の低温接続部の距離がさらに長くなるため、伝導熱によ
る液体ヘリウムの消費量は小さくできる。なお、第４図
中のガス配管１３は、ガス配管１３内部に取付けたコネ
クター１２で完全に密閉されるためガスの流入が無いの
で、上記ガス配管１３は無くてもよい。このガス配管１
３は、コネクター１２でガス配管が完全に密閉されなか
ったときを想定して取付けたものである。

第５図は、第１段の小形ヘリウム冷凍機を取付けた他の
実施例である。また第６図は、第５図を説明するため第
５図の冷凍機取付部を拡大したものである。第５図と第
６図に記載した第１図と同一符号は、同一部品を示して
いる。ここに示した小形ヘリウム冷凍機２５は、第１段
の冷凍機で、８０にの温度で約１０Ｗの冷凍能力を持つ
。２６はコールドヘッドで２７の伝熱板を介して８０に
輻射シールド５を冷却する。冷凍機２５を取付けた場合
の特徴は、第１図に示した液体窒素７及び液体窒素容器
８が不要となるので、超電導磁石の径を小さくすること
ができる利点がある。問題点としては、冷凍機２６を運
転すると振動が生じることである。この対策は冷凍機２
５と真空容器９の間にステンレス製のベローズ２８を介
して取付けていることと、冷凍機２５を支持固定するボ
ルト２９に圧縮バネ３０を挟みこむことで問題を解消し
ている。この方式により冷凍機２５で生じた振動はベロ
ーズ２８とベルト２９が吸収するので真空容器９は小さ
な振動となって伝わる。このときの振動は±１μｍ以下
で、超電導ＮＭＲ分析計の使用には十分耐えられるもの
となっている。冷凍機を取付けたことによる利点として
は、超電導磁石の小形化の他に、液体窒素がいらなくな
ったことにより、わずられしい液体窒素注入作業が不要
となった点である。従来、液体窒素の補給期間は約１週
間から２週間である。万が一液体窒素の補給を忘れたと
きは、液体ヘリウムの消費量は、液体窒素を用いた時の
約１０倍以上に増大するので液体窒素が全く不要になっ
たことのメリットは大きい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、極低温装置の小形化が図られ、特に高
さを低くできる。しかも、従来と同等または、それ以上
の断熱性能が得られる。また、極低温装置の小形化によ
り、どんな建屋にでも据付及び運転が可能となった。本
発明の一実施例としてＮＭＲ分析計を上げたが、この他
、微少磁界計測に利用されている５ＱＵｉＤ　（Ｓｕｐ
ｅｒ　ｃｏｕｄｕｃｔｉｎｇＱｕａｎｔｕｍ　Ｉｎｔｅ
ｒｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　、超電導量子干渉計
）及びジョセフソン・コンピュータ等のクライオスタッ
トにも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の極低温装置の縦断面図、
第２図と第３図は、トランスファチューブと注入管の接
続部の異なる実施例の拡大図、第４図は、本発明の他の
実施例の部分縦断面図、第５図は、冷凍機を取付けた場
合の更に他の実施例の部分縦断面図、第６図は、冷凍機
取付部の拡大縦断面図である。 １・・・超電導コイル、２・・・液体ヘリウム、３・・
・ヘリウム容器、１１・・・電流リード配管、１５・・
・液体ヘリウム注入管、１８・・・注入管、１９・・・
ガス管、２５・・・冷凍機。 図 第 図 ｔＳ−一液４不ヘソタＺ、注入管 ／６　−−一　トルスｈ−テユーフ゛ ／７−−−ジヨイシト １８−　　圧入管 図 ２５−一一玲諌機 纂 国 −リーＨ−＃菓５ 夙 ２５−玲清機 ２Ｓ−−−へ゛ロース゛ ２９−一一爪゛ルト ３θ−−一厘」箔ハ茅

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．超電導体を収納した冷媒容器と、その冷媒容器をと
   り巻く輻射シールド板と、その輻射シールド板を包囲し
   た真空容器と、真空容器の上部から下方の前記冷媒容器
   に垂直に導入される第１の筒を有する極低温装置におい
   て、前記冷媒容器の上面の一部を前記冷媒容器の底の方
   向に掘り込み、前記第１の筒とその掘り込み部で接合し
   たことを特徴とする極低温装置。
2. ２．輻射シールド板が前記掘り込み部に沿い、かつ、前
   記輻射シールドと前記第１の筒との接続部が前記第１の
   筒と前記冷媒容器との接合部から離れていることを特徴
   とする請求項１記載の極低温装置。
3. ３．前記第１の筒と前記冷媒容器接合部に別の第２の筒
   を接合し、前記第２の筒の他端を前記冷媒容器の内部の
   上部に設け、さらに、前記第２の筒の内部に第３の筒を
   設けて、その第３の筒の一端を前記冷媒容器の内部の底
   部に取付けたことを特徴とする請求項２記載の極低温装
   置。