JPH08222429A

JPH08222429A - 極低温装置

Info

Publication number: JPH08222429A
Application number: JP7023700A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Isokami; 尚志磯上; Norihide Saho; 典英佐保; Takeo Nemoto; 武夫根本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 1996-08-30

Abstract

(57)【要約】【構成】寒冷発生機に膨張機１を使用し、少なくとも一
つの膨張弁を設けた冷凍機で生成した、低温のヘリウム
ガスを冷却配管１６ｃに流し、冷却配管１６ｃと超電導
磁石の磁石枠２５とを熱的に接触させることによって超
電導磁石の冷却を行う。【効果】液体ヘリウムタンクが不必要であるため構造が
簡素であるだけでなく、比較的大きな磁石でもほぼ均一
な温度に冷却できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温装置に係り、特
に、冷却手段の冷却部と被冷却体とが熱的に接触した直
冷式の極低温装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導マグネットを使用した核磁気共鳴
診断装置，熱物性測定装置，ジョセフソン素子や各種セ
ンサ等の各種電子機器や、高真空，高排気速度のクライ
オポンプ，超電導マグネットを使用した電子加速器や放
射光発生装置，超電導マグネットを利用した磁気分離装
置等の冷媒には、極低温の液体ヘリウムを使用する。

【０００３】一般にこれらの被冷却装置には、冷媒であ
る液体ヘリウムを溜めておく液体ヘリウムタンクを内装
し、さらに液体ヘリウムはわずかな熱で蒸発し、かつ、
高価であるため、蒸発したヘリウムガスを凝縮する冷凍
装置を装着する。

【０００４】しかし、液体ヘリウムを使用する冷却方法
は、取り扱いに特別な技能を持つ人が必要であり、さら
に液体ヘリウムタンクを設置するため装置が複雑かつ大
規模となってしまう。

【０００５】そこで、ギフォード・マクマホン（Ｇ・
Ｍ）式往復動形冷凍機を超電導磁石と熱的に接続させ
て、伝導により超電導磁石の冷却を行う直冷式超電導磁
石システムの例が、例えば、特開平6−132567 号公報に
示されている。

【０００６】本装置では二段式Ｇ・Ｍ冷凍機を用いて、
超電導磁石及び高温超電導材料で構成した電流リードを
冷凍機の冷却ステージと熱的に接触させて冷却する構造
としている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記に示した従来例で
は、超電導マグネットを冷却するための液体ヘリウムタ
ンクが不必要であるため、装置が簡単であるが、核磁気
共鳴装置や磁気分離装置等ボア径が１ｍ近くあるいは１
ｍ以上にもなるような磁石を冷却する場合には以下のよ
うな問題点があるため、実用化が困難であった。磁石が
大きくなると、冷凍機が接続している冷却部と磁石の先
端部との間の熱抵抗が大きくなり、磁石内部で温度差が
つくため、冷却部から離れた位置では温度が高くなり、
超電導状態が破壊する危険性がある。また、温度差を小
さくするには、超電導磁石の周囲に熱伝導率の良い銅や
アルミニウム製の断面積の大きな冷却板を設置する必要
があり、重量及びサイズが大きくなってしまう。さら
に、磁石の規模とともに大きくせざるをえない支持体や
電流リードからの侵入熱が増加するために比較的小規模
の冷凍能力しか発生できないＧ・Ｍ冷凍機では冷凍能力
不足となり、超電導状態を保つには冷凍機を複数個設置
する必要が有り、重量及びサイズが大きくなるとともに
初期コスト及び消費電力等のランニングコストが大きく
なる。このため、Ｇ・Ｍ冷凍機を用いた直冷式超電導磁
石は比較的小さなサイズに限定され、それより大きな磁
石を冷却する場合は液体ヘリウムを使用しなければなら
なかった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】予冷用の寒冷発生回路に
Ｇ・Ｍ冷凍機を用い、熱交換器と絞り弁及び配管で構成
されるジュール・トムソン（Ｊ・Ｔ）液化回路とを組み
合わせた(ＧＭ＋ＪＴ)液化機の冷凍サイクルに、熱交換
器と絞り弁とを１つずつ追設することにより低温のヘリ
ウムガスを発生させ、前記低温ヘリウムガスが流れる配
管を超電導磁石と熱的に接続することによって、上記問
題点は解決できる。

【０００９】

【作用】冷凍機で発生させた低温のヘリウムガスが流れ
る配管を、超電導マグネット等の被冷却体に熱接触させ
ることにより、冷却を行う。これにより、液体ヘリウム
タンク無しで冷却を行うことができる。また、冷却部を
流れるヘリウムガスを超臨界ヘリウムにした場合には、
強制冷却により、レイノルズ数が大きい範囲では従来構
造の液体ヘリウムによる浸漬冷却の場合より冷却能力に
優れる。また、低温ヘリウムガスの配管は、被冷却体周
囲に熱接触させることができるため、被冷却体を均一に
冷却することが可能である。さらにヘリウムガスの流量
を増加させることによって、冷凍能力を増加させること
も容易である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２によ
り説明する。予冷用の寒冷発生回路に配置した寒冷発生
機１は、例えば、ギフォード・マクマホン膨張機で構成
される。ヘリウム圧縮機ユニット２の高圧ガスは寒冷発
生機１中に流入して内部で断熱膨張し、第一ステージ
３，第二ステージ４でそれぞれ温度約４０Ｋ，１５Ｋの
寒冷を発生する。膨張後のガスは、再び、圧縮機ユニッ
ト２に戻る。

【００１１】一方、予冷用の寒冷発生回路と隔離したＪ
・Ｔ回路の圧縮機ユニット５で約１.６ＭＰａに加圧さ
れた高圧のヘリウムガスは、高圧配管１６ａを通り第一
熱交換器６，第二熱交換器７，第一吸着器８，第三熱交
換器９，第四熱交換器１０，第二吸着器１１，第五熱交
換器１２，第三吸着器１３に入る。第三吸着器１３出口
後の高圧流路内には第一Ｊ・Ｔ弁１４が存在し、ここで
圧力約０.８ＭＰａまで膨張する。さらに第六熱交換器
１５を通り、温度約５Ｋの低温のヘリウムガスとなっ
て、第二Ｊ・Ｔ弁１７で約０.１２ＭＰａまで膨張して
一部が液化し、温度約４.４Ｋのヘリウムの二相流とな
って冷却部配管１６ｃに流れ込む。

【００１２】超電導磁石は、図２に示すように、超電導
コイル２４の周囲に冷却板の役目を行う磁石枠２５が、
熱的に接触しており、この磁石枠２５と冷却手段の冷却
部配管１６ｃとが、溶接等により熱的に接触している。
銅、アルミニウムあるいはステンレス等の金属でできた
磁石枠２５と超電導コイル２４との間には、カプトン，
ＦＲＰ，ベークライト等の薄い絶縁膜を挟みこむことに
よって絶縁を行っている。冷却部配管１６ｃは、超電導
磁石の周方向にほぼ一周接続されており、周方向にあま
り温度差がつかない構造となっている。

【００１３】冷却部配管１６ｃを流れて、外部からの熱
侵入による熱負荷を受けて蒸発したヘリウムガスは、そ
のまま低圧配管１６ｂ内に流入し、第六熱交換器１５，
第四吸着器１８，第五熱交換器１２，第五吸着器１９，
第三熱交換器９，第六吸着器２０，第二熱交換器６，第
七吸着器２１を通り、ほぼ常温となって、低圧配管１６
ｂより圧縮機ユニット５に戻る。

【００１４】クライオスッタト２２内は真空断熱され、
極低温部は液体窒素槽あるいは、寒冷発生回路の第一ス
テージ３によって冷却された熱シールド板２３によっ
て、外部からの輻射熱を遮蔽している。各吸着器ではヘ
リウムガス中の不純物を除去する。

【００１５】本実施例では、二つのＪ・Ｔ弁を持つ冷凍
機の構造を示したが、第一Ｊ・Ｔ弁１４及び第六熱交換
器１５が無い構造でも、運転条件によっては効率が少し
悪くはなるが、効果は同様である。

【００１６】本実施例では、図２に示したような磁石の
冷却方法を示したが、別の冷却方式を図３，図４及び図
５に示す。

【００１７】図３は、冷却配管１６ｃを超電導磁石の両
端に設置した構造であり、本構造により、磁石の軸方向
に温度差がつくことを抑制している。

【００１８】図４は、冷却配管１６ｃを超電導磁石の周
囲に巻き付けて熱接触させることにより、より大きな磁
石の場合でも良好に冷却可能な構造である。核磁気共鳴
装置や磁気分離装置の場合には超電導コイル内部に常温
のボアが必要でありそのボア径は大きいほど装置として
望ましい。そのため、本構造では、超電導磁石の外側に
冷却配管１６ｃを設置している。超電導コイル内に大き
なボアを必要としないような装置では、コイル内側に冷
却配管１６ｃを設置しても効果は同様である。

【００１９】また、図２から図４に示した超電導磁石の
冷却構造例では、冷却板となる磁石枠２５を超電導コイ
ル２４の周囲全体に設置したが、一部だけに設置した場
合でも効果は同様である。

【００２０】図５は、冷却配管１６ｃと冷却板である磁
石枠２５との接続部を示している。

【００２１】冷却配管１６ｃは銅またはアルミニウム等
の高熱伝導率部材でつくられた配管接続部２７に溶接さ
れている。配管接続部２７と磁石枠２５とは、インジウ
ム２８を介してビス２９により固定されている。本構造
により、冷却配管１６ｃを超電導磁石の磁石枠２５に直
接溶接する必要が無く、溶接時に超電導コイル２４に伝
わる熱によって超電導コイル２４に異常な歪みや応力が
かかる危険性がなくなる。

【００２２】図６に本発明の第二実施例である冷凍機付
き超電導磁石の構造を示す。本構造は図１に示した装置
の構造とほとんど同じであるが、冷凍機の液化回路の極
低温部の構造が異なっている。すなわち、冷凍機の高圧
配管１６ａの第一Ｊ・Ｔ弁までは同構造であるが、その
後は、熱交換器の代わりに液体ヘリウムタンク２６中の
液体ヘリウムと熱交換することによって冷却され、低温
のヘリウムガスとなって冷却配管１６ｃの中を流れる。
超臨界ヘリウムガスが流れる冷却配管１６ｃで超電導磁
石を冷却した後、第二Ｊ・Ｔ弁１７で再び膨張する。す
なわち、超電導磁石から熱負荷を受けて若干温度上昇し
たヘリウムガスは、第二Ｊ・Ｔ弁１７で約０.１２ＭＰ
ａまで膨張して液化し、液体ヘリウムタンク２６に溜
まる。液化しなかったヘリウムガス及び高圧配管と熱交
換することで得た熱量によって蒸発したヘリウムガス
は、低圧配管１６ｂに流れ、以下、図１に示した実施例
と同様に吸着器１８，１９，２０及び熱交換器１２，
９，６を通過して圧縮器ユニット５に戻る。本構造で
は、冷却配管１６ｃを流れる低温のヘリウムガスは、圧
力約０.５ＭＰａ，温度約４.５Ｋの超臨界ヘリウムであ
り、レイノルズ数が高い条件においては、大気圧下の温
度４.２Ｋの液体ヘリウムによる冷却の場合より高い熱
伝達率を示し、冷却能力が優れている。

【００２３】図７に本発明の第三実施例を示す。本実施
例も図１に示した構造とほとんど同じであるが、冷凍機
の液化回路の極低温部の構造が異なっている。本構造で
は、第一Ｊ・Ｔ弁１４で高圧ヘリウムガスを膨張させた
後、第六熱交換器１５で冷却した約０.５ＭＰａ，約５
Ｋの低温の超臨界ヘリウムガスを冷却配管１６ｃに流し
て冷却を行う。熱負荷を受けて若干温度上昇したヘリウ
ムガスを第二Ｊ・Ｔ弁１７で約０.１５ＭＰａまで膨張
させることによってさらに温度を低下させて、場合によ
っては二相流となって第六熱交換器１５の低圧流路側に
流れ込む。以下、低圧流路１６ｂは図１に示した実施例
と同様である。本構造により、液体ヘリウムタンクを必
要としないため図６に示した構造より簡素な構造で超臨
界のヘリウムガスを用いた冷却システムを作ることがで
きる。

【００２４】図６及び図７に示した実施例では圧縮機ユ
ニット５の高圧吐出圧力を１.６ＭＰａより小さくした
場合、例えば１.０ＭＰａ程度の場合でも効果は同様で
あり、第一Ｊ・Ｔ弁あるいは第一Ｊ・Ｔ弁と第六熱交換
器を省いた構造でも効率は悪くはなるが同様の効果が得
られる。

【００２５】図６及び図７に示した実施例では、超電導
コイル２４の周囲に設置した磁石枠２５に冷却配管１６
ｃを熱接触させる例を示したが、例えば、バンドル導体
等の内部冷却導体によって構成され超臨界ヘリウムが入
る入口及び出口が備えられた超電導コイルに、冷凍装置
によって発生した超臨界ヘリウムガスが流れる冷却配管
１６ｃが接続された場合でも、効果は同様であり、この
場合は、上記実施例の場合と比較して装置の構造は複雑
にはなるが、冷却能力は著しく向上する。

【００２６】図８に本発明の第四の実施例を示す。本構
造は図１に示した構造とほとんど同じであり、第二Ｊ・
Ｔ弁で約０.００２ＭＰａまで膨張させて超流動ヘリウ
ムをつくる。超流動のヘリウムはそのまま低圧配管１６
ｂに入って圧縮機ユニット５まで戻って行くが、極低温
部で分岐した冷却配管１６ｃ中のヘリウムは超流動ヘリ
ウムになる。このため、超電導磁石を冷却するのは、熱
伝導率が大きな超流動ヘリウムであり、磁石に温度差が
つくことを防ぐのに適した構造となっている。極低温部
で配管を分岐させて冷却配管１６ｃを独立させているこ
とによって、冷却配管１６ｃの中の圧力は位置によらず
一定であり、外部から受ける熱負荷は超流動ヘリウムの
高熱伝導率のために全体に伝わるため、冷却配管１６ｃ
中の超流動ヘリウムの温度は位置によらず一定である。
したがって、本構造で冷却される磁石内において温度差
はほとんどつかない。さらに約１.８Ｋの超流動ヘリウ
ムで冷却するため、超電導磁石の温度も低く、臨界磁場
や臨界温度を大きくできるため、磁石の強磁場化が可能
であるとともに、冷却安定性が向上する。

【００２７】図９に本発明の第五の実施例を示す。超電
導磁石は磁石を励磁する場合に電流を供給するための電
流リード３０を設置する。この電流リード３０は、常温
からの伝導伝熱を抑えるために、予冷用寒冷発生機の第
一ステージ３及び第二ステージ４で熱接触させ、さらに
ジュール発熱をなるべく抑えるために、常温と第１ステ
ージ３の間は銅製、第一ステージより極低温側は酸化物
超電導体とする。また、電流リード３０と寒冷発生回路
との間には、サファイア，カプトンあるいは窒化アルミ
等の絶縁体を挿入することにより、絶縁を行う。電流リ
ード３０の極低温部を磁石外周に設置した磁石枠２５あ
るいは冷却配管１６ｃに熱的に接触させることによって
サーマルアンカをとれば、電流リード３０から超電導コ
イル２４に侵入する伝導伝熱をさらに低減することが可
能である。この場合もサーマルアンカ部に絶縁材を挟む
ことによって絶縁を行う。本実施例の冷凍機は図６の構
造の物を示したが、図１，図７，図８に示した冷凍機の
場合でも効果は同様である。

【００２８】図１０に、本発明の第六の実施例を示す。
本実施例においても冷凍機は図６に示したものと同構造
を示しているが、図１，図７，図８に示したものでも効
果は同様である。本実施例では、予冷用の寒冷発生回路
１の第一ステージによって冷却された約５０Ｋの第一熱
シールド板２３の他に、第二ステージ４によって約１３
Ｋに冷却される第二熱シールド板３２を設置している。
本構造により、超電導磁石に侵入する輻射熱を低減する
ことが可能である。また、超電導磁石が大きい場合に
は、クライオスタット２２の常温部分から超電導磁石を
支える支持体が必要となるが、支持体の途中で第一及び
第二熱シールド板によりサーマルアンカをとれば、支持
体から超電導磁石に侵入する伝導伝熱も低減することが
できる。本実施例は、図９に示したように電流リードを
設置した場合でも効果は同様である。

【００２９】図１１に本発明の第七の実施例を示す。本
実施例では熱シールド板と冷凍機の高圧配管を熱的に接
触させることによって熱シールド板の冷却を行ってい
る。本実施例では予冷用寒冷発生回路と熱交換を行う上
流側配管と熱シールド板２３とを熱接触させているが、
下流側配管を接触させた場合でも効果は同様である。本
構造により、熱シールド板２３の大きさが大きく薄い場
合でも熱シールド板２３内部で温度差がほとんどつか
ず、超電導磁石に侵入する輻射熱や伝導伝熱を抑制する
ことができる。

【００３０】以上の実施例では、冷媒の循環駆動手段と
して常温で作動する圧縮機と膨張弁であるＪ・Ｔ弁とで
構成した例を示したが、低温で作動する圧縮機と膨張弁
とで構成した場合や、ファンにより冷媒を循環させた場
合でも効果は同様である。

【００３１】図１２に、低温で作動するファンにより冷
媒を循環させた場合の実施例を示す。低温で作動するフ
ァン３３は、真空断熱容器（クライオスタット）２２中
に挿入され、ファン３３により送られるヘリウムガス
は、予冷用寒冷発生回路１の第二ステージ４で約４〜６
Ｋに冷却される。極低温に冷却されたヘリウムガスは冷
却配管１６ｃ内部を通り、超電導磁石の冷却を行う。外
部からの熱負荷を受けて若干温度上昇したヘリウムガス
は再びファン３３に戻り回路内を循環する。

【００３２】以上、図１から図１２までに示した実施例
では、超電導マグネットを被冷却体にした場合について
説明したが、ジョセフソン素子や各種センサ等の各種電
子機器や、高真空，高排気速度のクライオパネルを被冷
却体にしても、効果は同様である。

【００３３】なお、実施例では、寒冷発生機にＧ・Ｍサ
イクルの膨張機を適用した例で説明したが、ソルベイサ
イクル，スターリングサイクル，ビルマイヤサイクル，
タービン式，クロード式膨張機を適用した冷凍サイクル
やブレイトンサイクルでも同等な効果がある。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、低温のヘリウムガスが
流れる冷却配管で超電導磁石を冷却することができるた
め、磁石内で温度差がほとんどつかず、大きな超電導磁
石の場合でも液体ヘリウムなしで安定に冷却を行うこと
ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である冷凍機付き超電導磁石
のブロック図。

【図２】本発明の実施例の超電導磁石及び冷却配管の説
明図。

【図３】本発明の第二実施例の超電導磁石及び冷却配管
の説明図。

【図４】本発明の第三実施例の超電導磁石及び冷却配管
の説明図。

【図５】本発明の実施例の超電導磁石及び冷却配管の接
続部分の説明図。

【図６】本発明の第二実施例の冷凍機付き超電導磁石の
ブロック図。

【図７】本発明の第三実施例の冷凍機付き超電導磁石の
ブロック図。

【図８】本発明の第四実施例の冷凍機付き超電導磁石の
ブロック図。

【図９】本発明の第五実施例の冷凍機付き超電導磁石の
ブロック図。

【図１０】本発明の第六実施例の冷凍機付き超電導磁石
のブロック図。

【図１１】本発明の第七実施例の冷凍機付き超電導磁石
のブロック図。

【図１２】本発明の第八実施例の冷凍機付き超電導磁石
のブロック図。

【符号の説明】

１…膨張機、２，５…圧縮機ユニット、６，７，９，１
０，１２，１５…熱交換器、１３，１７…Ｊ・Ｔ弁、１
６ｃ…冷却配管、２２…真空容器、２３…熱シールド
板、２４…超電導コイル、２５…磁石枠、２６…液体ヘ
リウムタンク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被冷却体と，前記被冷却体を冷却するため
の冷却手段と，前記被冷却体及び前記冷却手段を内装す
る断熱真空容器で構成され、前記被冷却体は前記冷却手
段内を循環する冷媒流路外に位置し、前記被冷却体と前
記冷却手段とが熱的に接触した直冷式の極低温装置にお
いて、前記冷却手段が、予冷用の寒冷発生回路と，循環
する冷媒の流路となる配管と，配管を内蔵した一連の熱
交換器と，冷媒を循環させるための冷媒循環駆動手段と
から成り、低温の冷媒が流れる配管の少なくとも一部
が、前記被冷却体と熱的に接触していることを特徴とす
る極低温装置。