JPH0438215Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は真空容器内の極低温にある被冷却物
を、真空容器に付設した閉サイクル冷凍機の冷端
部で冷却する装置に関する。

〔従来の技術〕

この種の極低温冷却装置として従来知られてい
るものの基本構成を第６図に示す。本構成は、本
願出願人が先に出願した実願昭59−166667号（実
開昭61−81580号公報参照）第６図に記載されて
いるもので、支持棒４によつて真空容器３内に懸
吊支持された被冷却物２は、冷凍機１の冷端部１
ａと伝熱的に接触、接着あるいは溶着されてお
り、冷凍機１の運転により10K〜100Kの極低温
に冷却されている。

冷凍機１はギフオード・マクマホンサイクル、
ソルベイサイクルあるいはスターリングサイクル
などの熱サイクルに基づく閉サイクル冷凍機で、
この種の冷凍機は運転時間1000〜10000時間毎に
シールリングの交換などのメンテナンスを必要と
する。また冷却対象が磁気共鳴を利用する機器な
ど振動の影響を受け易い場合には冷凍機の振動が
被冷却物および被冷却物を支持している真空容器
に伝わらないようにする必要もある。

別の従来技術として第７図に示すように冷凍機
１の冷端部１ａと被冷却物２との間にガスたとえ
ばヘリウムガスを介在さて、このガスの伝導によ
つて熱を伝えるようにしたものが知られている。
この構造は真空容器３の中に支持棒４にて懸吊支
持された被冷却物２に円筒容器７の一端を気密に
かつ伝熱的に固着し、他端は真空容器３の上面と
ともに緩衝部材６を介して冷凍機１を設置したも
のであり、冷端部１ａと被冷却物２とは固体同志
の接触伝熱ではなく、気密的に設けられた円筒容
器７の円筒内空間８にヘリウムガスなどを封入
し、このガスの伝導によつて熱を伝えるものであ
る。この構造のものは冷凍機のメンテナンスを行
なう際には断熱真空を保つたまま冷凍機だけを取
出すことができる。この種の冷却装置において、
ガスの伝導によつて被冷却物を冷却する構成は、
例えば特開昭59−86870号公報の第４図に開示さ
れている。

〔考案が解決しようとする課題〕

第６図に示した構成において、冷凍機の振動
が、被冷却物および被冷却物を支持する真空容器
に伝わることを緩和するためには、冷凍機を緩衝
部材を介して真空容器に取付けるとともに、冷凍
機冷端部と被冷却物との間に金属編組線のような
可撓性伝熱部材を介在させ、この可撓性伝熱部材
の両端を冷凍機冷端部と被冷却物にろう付けする
方法が知られている（前記実願昭59−166667号参
照。）。しかしながらこの方法で冷凍機のメンテナ
ンスを行なう際には、冷凍機の運転を停止して被
冷却物の温度が上昇してから真空を破つて被冷却
物とともに冷凍機を取出す必要があつた。

また第７図に示した装置では冷却能力すなわち
被冷却物２から冷凍機冷端部１ａに流れる熱流を
大きくとることは以下に示すように困難である。
すなわちガスの熱流Ｑは次式で表される。

Ｑ＝Α・λ・ΔΤ／ｄ ここで、Ａ：伝熱断面積、λ：ガスの熱伝導
率、ΔΤ：温度差、ｄ：伝熱距離である。例えば、
Ａ＝20cm²、λ＝0.063W／ｍ・Ｋ（ヘリウム80Kで
の値）、ΔΤ＝1K、ｄ＝２mmとすればＱ＝0.063W
となる。温度差ΔΤ（被冷却物の温度上昇）をあま
り大きくしないで冷却能力（熱流Ｑ）を大きくす
るためには伝熱断面積を大きくするか、伝熱距離
を小さくすることが必要であり、相乗効果によつ
ても熱負荷が数Ｗ以上の場合には充分な冷却は無
理である。すなわち伝熱断面積を極端に大きくす
るには大きなスペースを必要とし、また伝熱距離
を小さくしようとしても、冷却時の熱変形や、冷
凍機が緩衝部材を介して取付けられていることか
ら運転中の振動を考慮すると限界がある。また第
７図の構造の場合の問題の一つとして冷却のため
に必要なガスによつて室温部からガスの伝熱と対
流による熱侵入がもたらされることもある。

この考案は上述の事情に鑑み、冷凍機のメンテ
ナンス時には断熱真空状態を維持したまま冷凍機
だけの取外し、取付けができ、かつ被冷却物から
充分な熱流をとることができ、しかも冷凍機から
の振動の伝達が緩和され、さらに定常時熱侵入の
小さい極低温冷却装置を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本考案によれば、
真空容器内で被冷却物を冷凍機の冷端部と熱的に
接触させて冷却する極低温冷却装置において、冷
凍機と、該冷凍機に緩衝部材を介して気密に取付
けられ前記冷凍機を収納する真空容器と、前記冷
凍機と前記真空容器との間に前記冷凍機を取り囲
んで介装され下端が被冷却物に伝熱的に固着され
上端が前記真空容器に気密に固着された円筒容器
と、該円筒容器の底板と前記冷凍機の冷端部とを
熱的に接触する可撓性伝熱手段と、前記円筒容器
内を真空状態もしくはガス注入状態に切り換える
真空排気・ガス注入切換手段とを備え、前記可撓
性伝熱手段は、下端子が前記円筒容器の前記底板
に伝熱的に固着され上端子が前記冷凍機の前記冷
端部に伝熱的に接触された可撓性伝熱部材と、該
可撓性伝熱部材の前記上端子を前記冷凍機の前記
冷端部に押圧するばねとから成るものとする。

〔作用〕

冷凍機を円筒容器に挿入した際、冷凍機冷端部
は可撓性伝熱部材の上端子に伝熱的に接触しかつ
この上端子はばねのばね力により冷端部に押圧さ
れるので、伝熱径路における機械的接触が確保さ
れ充分な伝熱量がとれる。冷凍機の振動の伝達
は、間にばねを介しているため大幅に緩和され
る。冷凍機の取付け、取外しの際のみ前記円筒容
器内にガスを注入して、真空容器の断熱真空は保
持したまま冷凍機の保守ができる。定常運転時に
は円筒容器内を真空にしておくことで室温部から
ガス伝熱と対流による熱侵入を防止できる。

〔実施例〕

第１図はこの考案の実施例を示す縦断面図で従
来構造を示す第７図と同じ構成の部分には同一符
号を付してある。第１図において冷凍機１は気密
性のある緩衝部材６を介して真空容器３に取付け
られている。気密な円筒容器７の下部には良熱伝
導性材料でできた底板９が取付けられ、この底板
９の下面（円筒容器外部）には被冷却物２が伝熱
的に固着されている。また底板９の上面（円筒容
器の内部）には良熱伝導性金属たとえば銅または
アルミニウムの編組線でできた可撓性伝熱部材５
の下端子５ａが溶着されている。可撓性伝熱部材
５の上端子５ｂは冷凍機１の冷端部１ａと伝熱的
に接触しており接触面１０が形成される。可撓性
伝熱部５の下端子５ａと上端子５ｂとの間には圧
縮性コイルばね１１が挿入される。また両端子５
ａ，５ｂはコイルばね１１の案内をするに都合の
よい形状とされていて、第２図に示す斜視図によ
り明らかである。冷凍機１を緩衝部材６を介して
真空容器３に取付けたときは、冷端部１ａは前記
上端子５ｂと円形の接触面１０で接触する。この
ときコイルばね１１は自然長より縮んだ状態すな
わち圧縮状態であり、上端子５ｂを冷端部１ｂに
押しつけているので接触面１０での伝熱性は良好
である。この冷却装置において被冷却物２の熱は
底板９→下端子５ａ→可撓性伝熱部材５→上端子
５ｂ→接触面１０→冷端部１ａという径路で流れ
る。可撓性伝熱部材として良熱伝導性の銅編組線
を用いた時に冷却できる熱流は、たとえば断面積
２cm²、伝熱距離10cmの場合温度差1Kで、80Kな
ら約1W、20Kなら約3Wであり、前述したヘリウ
ムガスの伝導に比べてはるかに大きく、十分な熱
負荷をとることができる。

容器内空間８は定常運転時は図示しない真空ホ
ンプにより真空にして、真空排気・ガス注入切換
手段である弁１２で封止しており、ガスの伝導、
対流による熱侵入はない。

メンテナンスのための冷凍機の取外しに際して
は冷凍機１の運転を停止した後、弁１２から高純
度ヘリウムガスを注入し、次に冷凍機１を上方に
引き上げる。冷凍機１を取出した後図示しない仮
蓋をして円筒容器内空間８を真空に引き弁１２で
封止しておく。冷凍機メンテナンスの間は、真空
容器の断熱真空はそのまま維持されており、被冷
却物２の急激な温度上昇はない。冷凍機メンテナ
ンス終了後弁１２から再び高純度ヘリウムガスを
注入し、前記仮蓋を外して冷凍機１を挿入した
後、弁１２を開き円筒容器内空間８を真空に引
き、弁１２で封止し、冷凍機１の運転を再開す
る。冷凍機１と被冷却物２との間の振動の伝達
は、コイルばね１１が介在しているので直接接触
に比べて大幅に緩和される。

円筒容器７は底板９および上部フランジを除い
て熱伝導率の小さいFRPたとえばグラス・エポ
キシで作製する。これがため円筒容器７の円筒壁
を通しての熱侵入を最小限度に抑えられる。即ち
円筒壁を繊維強化樹脂とした場合には、断熱真空
劣化の問題を起こさないで円筒壁を通しての熱侵
入を小さくできる。FRP円筒の真空気密性能が
金属に劣ることは実際上問題とならない。なぜな
らば円筒容器内空間８にガスが注入されるのは冷
凍機１の取外しおよび挿入の際の短時間たとえば
それぞれ１分程度であるので真空容器３の断熱真
空を悪化させる恐れはないからである。またこの
円筒壁の一部分をベロー構造として、円筒壁を通
しての伝導による熱侵入をさらに減らすととも
に、この円筒壁と支持棒４との熱収縮差による熱
応力を緩和することもできる。また、ベロー構造
の採用により、底板９と被冷却物２との固着作業
時の高さ調整も容易となる。

底板９と被冷却物２との伝熱的固着方法は、溶
接、ろう付け、あるいは金属シールたとえばイン
ジウムシール、金属Ｏリングなどによつて行なう
が、この際底板９と被冷却物２との間に充分な接
触面積または溶着面積をとるようにする。

この実施例における組立順序は次の通りであ
る。まず可撓性伝熱部材５の両端子５ａ，５ｂ間
にコイルばね１２を介在させ、可撓性伝熱部材５
の下端子５ａを底板９にろう付けする。次に円筒
容器７のFRP製円筒壁の下端に底板９を接着す
る。被冷却物２は別に真空容器３の上部の蓋より
支持棒４により取付けられている。ここで円筒容
器７を真空容器３の上部の蓋に取付ける。この時
点では底板９と被冷却物２との間には隙間がある
ので支持棒４に取付けた図示しない高さ調整ねじ
を調整して前記隙間をなくした後底板９と被冷却
物２を前述した方法の何れかによつて伝熱的に固
着させる。ここで円筒容器７の円筒壁の一部をベ
ロー構造とした場合には前記高さ調整ねじは不要
で、しかも底板９と被冷却物を容易に密着させる
ことができる。次に真空容器３の上部の蓋に被冷
却物２、円筒容器７などを取付けたもの全体を真
空容器３の内部に収納し、最後に緩衝部材６を介
して冷凍機１を取付ける。なお可撓性伝熱部材５
は図示の１本とは限らず所要伝熱量とスペースを
勘案して適数本選ぶことができる。

第３図は他の実施例の要部斜視図で、前述した
コイルばねの代わりに２枚の板ばね１３を使用す
る。可撓性伝熱部材５の２個の下端子５ａは接触
板１４ａにろう付けされ、２個の上端子５ｂは接
触板１４ｂにろう付けされる。接触板１４ｂの下
面は底板９（第１図）にろう付けされ、接触板１
４ｂの上面は冷凍機冷端部１ａ（第１図）との接
触面となる。板ばね１３の両端はそれぞれ可撓性
伝熱部材５の両端子５ａ，５ｂにねじ止めされ
る。

第４図はさらに他の実施例の要部縦断面図で、
可撓性伝熱部材５はコイルばね１１の内径側に配
置する。この構造の場合の組立順序で、第１図、
第２図に示す実施例と異なる点を説明する。すな
わち底板９に可撓性伝熱部材５の下端子５ａをろ
う付けする。次にばねガイド１５を底板９にたと
えば接着により固定する。次にコイルばね１１を
底板９と接触板１６との間に入れ込んだ可撓性伝
熱部材５の上端子５ｂを接触片１６にろう付けす
る。このあとの円筒容器７の円筒壁と底板９との
接着以降の手順は第１図に示す実施例と同じであ
る。接触板１６はばね受けの役目を果たすととも
に上面は冷凍機１の冷端部との接触面となり、こ
の実施例は前述した第１図の実施例に比べて接触
面での密着性が安定である。

さらに第５図の斜視図に示すごとく冷凍機冷端
部と可撓性伝熱部材の上端子との接触面を円錐台
として、接触面の密着性の確保と接触面積の増大
をはかつた構造もある。すなわち冷凍機冷端部１
ａに円錐台形状で良熱伝導性金属からなる冷端付
属片１７をろう付けする。一方可撓性伝熱部材５
の他端５ｂに冷端付属片１７の外表面と同一形状
の内面をもち良熱伝導性金属からなる接触ブロツ
ク１８をろう付けする。

以上これまで示した実施例はすべて冷凍機を上
方から下方に向けて懸吊して設置したがばねが外
れない処置は容易に実施できるので、冷凍機を下
方から上方に向けても、あるいは水平方向に向け
ても設置でき、同様に本考案を構成し得ることは
明らかである。

〔考案の効果〕

以上に述べたように、本考案によれば、真空容
器内で被冷却物を冷凍機の冷端部と熱的に接触さ
せて冷却する極低温冷却装置において、冷凍機
と、該冷凍機に緩衝部材を介して気密に取付けら
れ前記冷凍機を収納する真空容器と、前記冷凍機
と前記真空容器との間に前記冷凍機を取り囲んで
介装され下端が被冷却物に伝熱的に固着され上端
が前記真空容器に気密に固着された円筒容器と、
該円筒容器の底板と前記冷凍機の冷端部とを熱的
に接触する可撓性伝熱手段と、前記円筒容器内を
真空状態もしくはガス注入状態に切り換える真空
排気・ガス注入切換手段とを備え、前記可撓性伝
熱手段は、下端子が前記円筒容器の前記底板に伝
熱的に固着され上端子が前記冷凍機の前記冷端部
に伝熱的に接触された可撓性伝熱部材と、該可撓
性伝熱部材の前記上端子を前記冷凍機の前記冷端
部に押圧するばねとから成るものとしたので、下
記の効果を奏する。

可撓性伝熱部材の上端子をばねを用いて冷凍
機冷端部に押しつけるようにしたので確実な熱
接触が得られるとともに冷凍機の取外し、取付
けが容易に行なえる。

冷凍機のある空間と真空容器内の断熱真空部
分とを区別する気密な円筒容器を設けたため断
熱真空を維持したまま冷凍機の取外し、取付け
が可能となり、かつ定常運転時にはこの円筒容
器内空間を真空にしてガスによる熱侵入を防止
できる。

冷凍機の振動の伝達は、冷凍機冷端部と被冷
却物の間にばねを介在させたので、可撓性伝熱
部材の採用とあいまつて、直接接触構造に比べ
て大幅に緩和される。

以上述べたように本考案によれば被冷却物の充
分な冷却、冷凍機の振動の伝達の大幅な緩和およ
び冷凍機の保守のための取外し、取付けの目的を
同時に達成できる極低温冷却装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の第１の実施例である極低温
冷却装置の縦断面図、第２図は第１図の要部斜視
図、第３図はこの考案の第２の実施例である極低
温冷却装置の要部斜視図、第４図はこの考案の第
３の実施例である極低温冷却装置の要部縦断面
図、第５図はこの考案の第５の実施例である極低
温冷却装置の要部斜視図、第６図は従来構造の極
低温冷却装置の縦断面図、第７図は従来構造の他
の極低温冷却装置の縦断面図である。 １……冷凍機、１ａ……冷端部、２……被冷却
物、３……真空容器、５……可撓性伝熱部材、５
ａ……下端子、５ｂ……上端子、６……緩衝部
材、７……円筒容器、９……底板、１０……接触
面、１１……コイルばね、１２……弁、１３……
板ばね。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 真空容器内で被冷却物を冷凍機の冷端部と熱
   的に接触させて冷却する極低温冷却装置におい
   て、冷凍機と、該冷凍機に緩衝部材を介して気
   密に取付けられ前記冷凍機を収納する真空容器
   と、前記冷凍機と前記真空容器との間に前記冷
   凍機を取り囲んで介装され下端が被冷却物に伝
   熱的に固着され上端が前記真空容器に気密に固
   着された円筒容器と、該円筒容器の底板と前記
   冷凍機の冷端部とを熱的に接触する可撓性伝熱
   手段と、前記円筒容器内を真空状態もしくはガ
   ス注入状態に切り換える真空排気・ガス注入切
   換手段とを備え、前記可撓性伝熱手段は、下端
   子が前記円筒容器の前記底板に伝熱的に固着さ
   れ上端子が前記冷凍機の前記冷端部に伝熱的に
   接触された可撓性伝熱部材と、該可撓性伝熱部
   材の前記上端子を前記冷凍機の前記冷端部に押
   圧するばねとから成ることを特徴とする極低温
   冷却装置。 ２ 実用新案登録請求の範囲第１項記載の極低温
   冷却装置において、可撓性伝熱部材の上端子を
   冷凍機の冷端部に押圧するばねは圧縮用コイル
   ばねであることを特徴とする極低温冷却装置。 ３ 実用新案登録請求の範囲第１項記載の極低温
   冷却装置において、可撓性伝熱部材の上端子を
   冷凍機の冷端部に押圧するばねは板ばねである
   ことを特徴とする極低温冷却装置。 ４ 実用新案登録請求の範囲第１項記載の極低温
   冷却装置において、冷凍機の冷端部と被冷却物
   が伝熱的に固着された円筒容器の底板とを伝熱
   的に接続する可撓性伝熱部材は銅またはアルミ
   ニウムの編組線の両端に端子を付設したことを
   特徴とする極低温冷却装置。 ５ 実用新案登録請求の範囲第１項記載の極低温
   冷却装置において、可撓性伝熱部材の上端子と
   冷凍機の冷端部との接触面は円錐台であること
   を特徴とする極低温冷却装置。 ６ 実用新案登録請求の範囲第１項記載の極低温
   冷却装置において、ガスが封入された円筒容器
   の円筒壁を繊維強化樹脂で作製したことを特徴
   とする極低温冷却装置。 ７ 実用新案登録請求の範囲第１項記載の極低温
   冷却装置において、円筒容器の円筒壁の一部を
   ベローズで構成したことを特徴とする極低温冷
   却装置。