JPH0335811B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は多段形極低温冷却器と磁気共鳴用磁
石の間を着脱自在に相互接続する直接接触熱界面
に関する。

例えばギフオード・マクマホン（Gifford−
McMahon）サイクルを用いる極低温冷却器は、
超導電磁石の内部からの熱を取去る為に、そのヒ
ート・ステーシヨンに低い温度を達成することが
出来る。２段形極低温冷却器に於けるヒート・ス
テーシヨンは、極低温冷却器の低温ヘツド部分の
第１段及び第２段の端に設けられる。極低温冷却
器のヒート・ステーシヨンを、そこから熱を取去
ろうとする放射遮蔽体の様な面に接続する為に
は、熱抵抗を小さくする為に、大きな接触力が必
要であること共に、軟らかい金属界面が必要であ
る。極低温冷却器は着脱自在であるから、極低温
冷却器を手入れの為に取外した時、この界面に勘
だしく霜が蓄積することがある。この様な夥しい
霜が存在している状態で接続をもう一度設定し直
すことは、困難であることがある。

２段形極低温冷却器と界面ソケツトの間の膨張
及び収縮の差が、熱効率のよい接触抵抗を形成す
る妨げになることがある。

この発明の目的は、極低温温度に於て、熱抵抗
を小さくして確実な接触を行なう極低温冷却器の
低温ヘツドの界面ソケツトを提供することであ
る。

この発明の別の目的は、極低温冷却器の低温ヘ
ツドの各段での接触力を独立に制御することであ
る。

発明の要約 この発明では多段形極低温冷却器によつて冷却
されるMR磁石が、開口を構成している極低温槽
と、該極低温槽の内側に配置されたプラツトフオ
ーム手段とを持つている。閉じた端及び開いた端
を持つ第１のスリーブの閉じた端が極低温槽の中
に入り込み、プラツトフオーム手段によつて支持
されている。第１のスリーブは、スリーブの両端
の間でスリーブの内側に固定された第１段熱交換
器接触手段を含む。スリーブの壁の内、第１段熱
交換器接触手段から閉じた端まで伸びる部分は軸
方向に可撓性である。第２のスリーブが第１のス
リーブを取囲んでおり、一方の開いた端が極低温
槽の開口の周縁を気密に取巻いている。第２のス
リーブの壁は軸方向に可撓性である。中心開口を
持つ第１のフランジが、第１（内側）及び第２（外
側）のスリーブの間に形成された環状空間を気密
に密閉し、第１のフランジの中心開口及び内側ス
リーブの開いた端が互いに整合している。内側ス
リーブ、外側スリーブ及び第１のフランジが極低
温槽の開口を気密に密封する。中心開口を持つ第
２のフランジが第１のフランジに対して軸方向に
調節自在に、気密に固定されている。第１のフラ
ンジは、極低温冷却器の低温側の端を内側スリー
ブの中に配置するようにして、極低温冷却器に固
定される。極低温槽及び内側スリーブを真空にひ
いた時、極低温冷却器の端と内側スリーブの底の
間に圧力が加えられ、熱抵抗の小さい熱継手が形
成される。第２のフランジに対する第１のフラン
ジの軸方向の位置を調節して、内側スリーブの軸
方向に可撓性を持つ部分を長くすると、第１段ヒ
ート・ステーシヨン接触手段と極低温冷却器の第
１段の間の力が強くなり、熱効果のよい継手が得
られる。

この発明の要旨は、特許請求の範囲に具体的に
且つ明確に記載してあるが、この発明の構成、実
施方法並びにその他の目的及び利点は、以下図面
について説明する所から最もよく理解されよう。

発明の詳しい説明 以下、この発明を第１Ａ，１Ｂ，２及び３図を
参照して説明する。図面全体にわたり、同様な部
分には同じ参照数字を用いている。ここで、第１
Ａ図及び第１Ｂ図は、こ発明による界面ソケツト
の中にある典型的な極低温冷却器の部分的な側面
図である。この側面図が、極低温冷却器の低温ヘ
ツドの大体中心線に沿つて分割されており、第１
Ａ図に右側、第１Ｂ図に左側を示している。第１
Ｂ図は界面のヒート・ステーシヨンと完全に係合
した極低温冷却器を示しており、第１Ａ図は界面
ソケツトを極低温冷却器の各段と最終的に係合す
る前の極低温冷却器を示している。

図には極低温冷却器低温ヘツド界面ソケツト１
１が極低温槽１３に取付けられることが示されて
いる。このソケツトは１端が閉じた内側スリーブ
１５を有する。この閉じた端が極低温槽の開口を
通り、極低温槽内の支持体に乗つかつている。好
ましい実施例では、支持体は銅で密封した巻型１
７で構成される。巻型が懸架部（図面に示してな
い）により、極低温槽の外側ハウジングから支持
される。内側スリーブ１５は幾つかの部分に分け
て作られる。閉じた端は１個の銅の部材であつ
て、夫々第１及び第２の直径の円筒２１ａ，２１
ｂを持ち、各々その中心が同じ軸方向の中心線上
にある。直径が小さい方の円筒２１ｂが、スリー
ブ１５に気密に固着される。この実施例では、銅
の円筒が水素雰囲気内で、ステンレス鋼のスリー
ブ１５の１端にオーブン内でろう付けされ、気密
な接続部を形成する。直径が大きい方の円筒２１
ａが、巻型１７の銅の遮蔽体２３にボルト締めさ
れる。スリーブ１５に軸方向の可撓性を持たせる
為、ステンレス鋼のベロー部分２５が内側スリー
ブの部分２７及び部分２９の間にステンレス鋼の
バンド３１によつて結合され、このバンドがベロ
ー２５の両端並びに２つの部分２７，２９の端に
重ねて所定位置に溶接される。部分２９が、スリ
ーブの壁の一部分を形成する銅のリング形の第１
段熱交換器３５の内周にろう付けされる。リング
３５の外側には等間隔の６つの平坦部がある。ス
リーブの上側部分３７がリング３５の外面に結合
され、第２図に見られる様に、スリーブの内側に
円形面４１を作る。この円形面が２つの溝孔４５
を持つていて、内側スリーブ１５の上側及び下側
部分の間で流れが連通する様にしている。スリー
ブの上側部分３７が、中心開口を持つ第１のステ
ンレス鋼のフランジ４７の内周に終端する。

ステンレス鋼のベロー５３として示した軸方向
に可撓性を持つ部分を有する外側スリーブ５１
が、ステンレス鋼のスリーブ部分５７，５９に溶
接バンド５５によつて接続される。スリーブ部分
５７，５９は、極低温槽のハウジング１３の外周
及び第１のフランジ４７に溶接することによつて
固定される。外側スリーブ５１及び内側スリーブ
１５が第１のフランジ４７と共に、極低温槽の開
口の気密封じを作る。極低温槽を真空に引いた時
の極低温槽１３に向う方向の第１のフランジ４７
の移動を制限する為、分割カラー６１が極低温槽
の溝にはまると共に、スリーブが極低温槽に向つ
て軸方向に圧縮される時、第１のフランジ４７の
周縁と係合する。分割カラー６１が外側スリーブ
５１を取巻くことが示されているが、この代りに
内側及び外側スリーブ５１，１５の間に配置して
もよい。

中心開口を持つ第２のフランジ６３が第１のフ
ランジ４７の開口の内側に配置されていて、Ｏリ
ング６５が気密な軸方向の滑りばめが出来るよう
にしている。極低温冷却器７１のフランジ６７が
第２のフランジ６３に固定され、２つの冷却段７
３，７５を持つ極低温冷却器の低温側の端が内側
スリーブ１５の中に入る。これらの２段は室温よ
り低い異なる２種類の温度で動作し、第２段７５
は第１段７３よりも一層低温である。夫々の段の
正確な温度は、加えられる熱負荷に関係するが、
典型的にはヒート・ステーシヨンは夫々50〓及び
10〓で作用する。極低温冷却器の低温側の端の２
段７３，７５は何れも全体的に円筒形であつて、
同じ軸線上にある。第２段７５は第１段よりも直
径が小さく、最初にそれから伸び出す。第１段７
３が円板形熱交換器７７に終端し、その中心開口
の中を第２段が通抜ける。第２段は円板形熱交換
器７９に終端する。極低温冷却器の第２段の端
が、内側スリーブ１５の端を封鎖する銅の円筒２
１ｂと接触する。インジウムの薄板８１が、円板
７９及び円筒２１ｂの間の良好な熱接触を保証す
る。

Ｏリング８３が極低温冷却器のフランジ６３と
第２のフランジ６７の間に設けられて、気密封じ
を確かにし、極低温冷却器７１が所定位置にある
時、内側スリーブ１５を真空にひくことが出来る
様にする。第１のフランジに対して第２のフラン
ジを軸方向に動かす為の調節手段が設けられてい
る。この実施例では、皿形座金８７を設けた、リ
ング状に配列したボルト８５が、第１及び第２の
フランジ６３，４７を結合することが示されてい
る。座金８７は予定の圧力で平らになる様に選ば
れている。座金８７が平らになるまでボルト８５
を締付けると、フランジの間に予定の力が働く。
この代りに、流体圧締付け手段（図面に示してな
い）を使つて、フランジを互いに軸方向に動か
し、流体圧配管の予定の流体圧力によつて予定の
力が加わる様にしてもよい。

第１のフランジ４７が、極低温槽１３を真空に
ひいたことによつて、分割リング６１と接触し、
且つ極低温冷却器７１が第２のフランジ６３にボ
ルト締めされている時、内側スリーブ１５の長さ
並びに極低温冷却器の低温側の端は、第２のフラ
ンジ６３が第１のフランジ４７に向つて移動し得
る距離が、極低温冷却器の第１段熱交換器７７
と、それが坐着するリング３５の面４１との間の
隔たりよりも大きくなる様になつている。

コイル巻型１７から隔たつていてそれを取巻く
遮蔽体９１から熱を取去る為、極低温槽内で、銅
の様な放出度の低い材料のカラー９３が、遮蔽体
から伸びていて、内側スリーブ１５の内の、極低
温冷却器のヒート・ステーシヨン７５を取巻く第
２段部分を取巻き、10〓の冷却される面と極低温
槽のハウジング１３の間の放射損失を少なくす
る。カラー９３は、該カラーに沿つて円周方向に
隔たつていて、それに溶接された６個の銅の編紐
９５により、第１段界面熱交換器として作用する
リング３５に接続される。すなわち、各々の編紐
の他端が、別々のブロツク９７まで伸び、それに
溶接されている。ブロツクは熱交換器リング３５
の周縁上の平坦部にボルト締めされる。編紐９５
は、熱による収縮の為、並びにボルト８５を緩め
たり締付けたりすることによつて起る、内側スリ
ーブ１５とカラー９３の間の移動が出来る様にし
ている。極低温冷却器の第２段ヒート・ステーシ
ヨンと、磁石用巻線１０１を持つコイル巻型を直
接的に取巻く遮蔽体２３の間の熱伝達が、銅の遮
蔽体２３に銅の円筒２１ａを直接的にボルト締め
することによつて達成される。内側スリーブの端
を閉じる円筒２１ｂと、遮蔽体２３にボルト締め
される円筒２１ａとは、一体の銅部材から形成さ
れる。第２図に見られるインジウムの薄板８１
が、極低温冷却器の第２段ヒート・ステーシヨン
の端と円筒２１ｂとの間にあつて、良好な熱伝達
を保証する。

永久的に取付けた抵抗性導線１０３，１０５が
界面の外側から第１のフランジ中の絶縁はめ込み
材１０６を介して第２のスリーブ５１の内側まで
伸びる。この通抜けは気密に行なう。入つて来る
導線が、第２図及び第３図に最もよく示されてい
る様に、２つの半円形の銅の母線１１１，１１３
から伸びる突片１０７に固定される。突片１０７
が各々の半円形母線の夫々の端から半径方向に伸
びる。半円形の母線１１１，１１３が、電気絶縁
体１１５，１１６と共に、熱交換器リング３５に
ボルト締めされ、これらの絶縁体が銅の母線１１
１，１１３及びリングを隔てる。別の電気絶縁体
１１７及びステンレス鋼のリング１２１がボルト
１２３の荷重を拡散する。インジウム層１２５が
絶縁体１１５の両側にあつて、良好な熱継手を保
証する。絶縁体１１５はアルミナ又はベリリヤ・
セラミツクで構成される。ベリリヤが、熱伝導度
が一層大きい点で好ましい。絶縁体１１５はメタ
ライズせずに使うことが出来る。この代りに、セ
ラミツクの両側を銅又はニツケルでメタライズす
る場合、メタライズしたセラミツクをインジウム
はんだの様な弾性係数を持つはんだを使つて、銅
のリング３５及び母線の間にはんだ付けすること
が出来、圧力継手は必要としない。このメタライ
ズは蒸着によつて適用することが出来る。メタラ
イズの厚さは１ミル又はそれ未満であつてよい。
セラミツクが両側の銅又はニツケルを分離し、２
つの面の間の電気的な隔離を保つ。典型的な厚さ
は、セラミツクでは約30ミルであり、直接結合の
金属では５ミルである。

図示の実施例では、セラミツクをはんだ付けせ
ず、ボルト１２３を絶縁スリーブの中に通すこと
により、２つの半円形の銅の母線を電気的に短絡
することを避けている。ボルトを締付けて、層の
間に少なくとも300psiが得られる様にし、インジ
ウム層１２５が流動して、隣合う面の間に良好な
熱伝導度を保証する様にする。

第２の１対の導線１２７，１２９が各々の半円
形母線の残りの２つの突片１０７にはんだ付けさ
れ、導線１２７が導線１０３と同じ母線にはんだ
付けされ、導線１２９が導線１０５と同じ母線に
はんだ付けされる様にする。その後導線１２７，
１２９を、夫々円筒２１ａ内の溝孔の中に配置し
たブスバー１３１，１３３に接続する。ブスバー
を円筒２１ａの中にボルト止めされる。ベリリヤ
又はアルナ・セラミツクで構成されたセラミツク
絶縁体と、その両側に２枚のインジウムの薄板を
設けたものをブスバーと円筒の間に配置する。
各々のブスバー上のステンレス鋼のバーがボルト
の荷重を分散する。これらのボルトが層の間に少
なくとも300psiを作り、インジウムを流動させ
て、良好な熱継手を作る。ブスバーは、250ボル
トの絶縁体力を持つのに十分な距離だけ互いに隔
てゝある。ブスバー１３１，１３３が、ボルト継
手により、磁石上の銅のブスバー１４１，１４３
に結合される。

ベリリヤ及びアルミナの継手を用いた77〓の熱
コンダクタンスは、5W／cm²−Ｋと云う位によい
ことが測定された。こう云うセラミツクの絶縁体
力は、必要とする250ボルトよりもよい。磁石の
１つの設計では、第１段界面で、高温導線部分は
冷却器の第１段に2.3ワツトを持込む。この場合
熱伝達に利用し得る面積は12平方cmである。熱コ
ンダクタンスｈ及び面積Ａを持つていて熱Ｑを伝
達する継手の前後の温度上昇の方程式は、ΔT＝
Ｑ／（hA）である。従つて、ブスバーと冷却器
の間の温度差を0.1〓未満に保つ為には、少なく
とも2W／cm²−Ｋの熱コンダクタンスが必要であ
る。今述べた継手の設計は、この条件を充たす。

同じ設計の磁石は、磁石に対する熱入力が、電
流導線と無関係に0.4Wであり、磁石から冷却器
の第２段への熱伝達に利用し得る面積が35平方cm
である。取外し自在の熱継手では、77〓で利用し
得る最もよい熱コンダクタンスは約1.8W／cm²−
Ｋである。従つて、この値が温度に無関係である
と仮定すると、この継手の前後の温度差は0.0063
〓である。各々の抵抗性電流導線に沿つた熱の漏
れが0.31ワツトである。セラミツク継手の熱コン
ダクタンスが5W／cm²−Ｋであると、僅か9.8平方
cmの面積により、この継手の前後の温度上昇は
0.0063〓未満に保たれる。この位の面積は利用す
ることが出来、従つて熱は実際に、磁石ではな
く、冷却器の中へ移動する。

この界面ソケツトは、最初に外側スリーブ５１
を極低温槽の開口に溶接し、外側スリーブをフラ
ンジ４７に溶接することによつて、極低温槽内に
取付けることが出来る。ブスバー１３１，１３３
を所定位置に置いた状態で、最初に銅の円筒２１
ａを磁石の巻型１７にボルト締めすることによ
り、内側スリーブ１５が開口の中に取付けられ
る。導線１２７，１２９を所定位置にはんだ付け
する。編紐９５をカラー９３及びブロツク９７に
溶接し、カラー９３を遮蔽体９１にボルト締めす
る。フランジ４７を通る導線１０３，１０５を突
片１０７にはんだ付けする。

動作について説明すると、極低温槽１３を真空
にひき、外側スリーブ５１を軸方向に収縮させる
が、第１のフランジ４７は分割カラー６１によつ
て支持されている。極低温冷却器の低温側の端を
内側スリーブ１５の中に挿入し、第２のフランジ
６３にボルト締めする。内側スリーブ１５を真空
にひいて、Ｏリング６５の直径に比例する大気圧
による空気圧の力を極低温槽の第２段ヒート・ス
テーシヨン７５及び銅の円筒２１ｂに加える。例
えばＯリング６５の直径が５吋であると、この結
果生ずる圧力は、極低温冷却器の第２段ヒート・
ステーシヨンと銅の円筒２１ｂの間で134psiであ
る。

この組立て階段に於ける部品の相対的な位置が
第１Ａ図に示されている。次に、フランジ４７が
分割カラー６１から持上げられて、大気圧による
外側ベロー５３に対する空気圧の力を極低温冷却
器の第２段ヒート・ステーシヨンに対する下向き
の力として伝達するまで、ボルト８５を締付ける
ことにより、界面に別の力を加え、この結果、外
側スリーブの実効直径が９・3/8吋である時、界
面の合計の圧力は486psiになる。

ボルト８５を引続いて締付けると、50〓のヒー
ト・ステーシヨン３５が引続いて持上げられ、従
つて極低温冷却器の第１段ヒート・ステーシヨン
７７とヒート・ステーシヨン３５の間の界面の圧
力は、皿形座金８７を更に撓ませることにより、
少なくとも300psiまで上昇する。然し、10〓の界
面は、問題の距離にわたるベロー２５のばね定数
が低い為に、比較的影響を受けない。

この界面圧力は、外側ベロー５３又はＯリング
６５の直径を変えることにより、又は一方或いは
両方のベロー２５，５３のばね定数を変えること
によつて、調節することが出来ることが理解され
よう。

以上、極低温に於ける熱抵抗の小さい確実な接
触を作る極低温冷却器低温ヘツド界面ソケツトを
説明した。更に、極低温冷却器の界面の各段に於
ける接触力を独立に制御することが出来る。

この発明を好ましい実施例について具体的に図
示して説明したが、当業者にはこの発明の範囲内
で種々の変更が考えられよう。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図及び第１Ｂ図は界面ソケツト内に取付
けた典型的な極低温冷却器の部分的な側面図、第
２図は界面ソケツトの内側部分の一部分切欠いた
斜視図、第３図は極低温冷却器の界面の内側スリ
ーブ内にある第１段熱交換器の母線部分の斜視図
である。 ［主な符号の説明］、１３：極低温槽、１５：
内側スリーブ、２３：遮蔽体、２５，５３：ベロ
ー、３５：リング、４７：第１のフランジ、５
１：外側スリーブ、６３：第２のフランジ、７
１：極低温冷却器、７３：その第１段、７５：そ
の第２段、１０３，１０５，１２７，１２９：導
線、１１１，１１３：銅の母線、１１５，１１
６，１１７：電気絶縁体、１２１：ステンレス鋼
のリング、１２５：インジウム層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 多段形極低温冷却器によつて冷却される超導
   電磁石に於て、開口を持つ極低温槽と、該極低温
   槽の内側に配置されたプラツトフオーム手段と、
   閉じた端及び開いた端を持つ内側スリーブと、該
   内側スリーブを取巻く外側スリーブとを有し、前
   記内側スリーブの閉じた端は前記極低温槽の内側
   を伸びて前記プラツトフオーム手段によつて支持
   され、前記内側スリーブは該スリーブの内側に固
   定された第１段ヒート・ステーシヨン接触手段を
   持つており、前記内側スリーブの内、該ヒート・
   ステーシヨン手段及び該スリーブの壁の間を伸び
   る部分は軸方向に可撓性であり、前記外側スリー
   ブの一方の開いた端は前記極低温槽の開口の周縁
   を気密に取巻いており、前記外側スリーブの壁は
   軸方向に可撓性であり、更に、第１のフランジ及
   び第２のフランジを有し、該第１のフランジは、
   中心開口を持つていると共に、内側及び外側スリ
   ーブに気密に固着されていて、内側及び外側スリ
   ーブの間に形成された環状空間を密封し、第１の
   フランジの中心開口は内側スリーブの開いた端と
   整合しており、前記の内側スリーブ、外側スリー
   ブ及び第１のフランジが前記極低温槽の開口を気
   密に密封しており、前記第２のフランジは第１の
   フランジの中心開口内に調節自在に気密に固定さ
   れる中心開口を持つており、該第２のフランジ
   は、極低温冷却器の低温側の端が内側スリーブの
   中に配置された時に極低温冷却器に固定される様
   になつていて、極低温槽及び内側スリーブを真空
   にひくことにより、極低温冷却器の端と内側スリ
   ーブの底との間に圧力が加えられ、且つ第１のフ
   ランジを第２のフランジに向けて移動させること
   により、内側スリーブの軸方向に可撓性を持つ部
   分を伸ばして、第１段ヒート・ステーシヨン接触
   手段と極低温冷却器の第１段の間の力を増加する
   様にした超導電磁石。