JPH10107328A - 冷媒容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】容器の形状寸法を大きくすることなく、冷媒物
質の蒸発量を低減する。 【解決手段】リザーバ６中に複数枚のフィンをイレコ状
に配置した多層構造体１１を設けたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、液体ヘリウム等
の冷媒物質を収納し、超電導現象を利用した装置を冷却
する冷媒容器に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導現象を利用した装置においては、
現在、その装置に使用されている超電導部品を液体ヘリ
ウムにより超電導現象が起きる温度まで冷却する必要が
ある。超電導応用として、例えば、ＳＱＵＩＤ( Superc
onducting Quantum Interference Device:超電導量子干
渉計 )を利用した生体磁気計測システムがある。これ
は、超電導コイルを使用して、生体( 脳、心臓等 )から
発生する微弱電磁場を検出して、生体の状態を診断する
ものである。

【０００３】この超電導コイル( ＳＱＵＩＤ及び検出コ
イル )は、一般的にクライオスタット( デュワ )と呼ば
れる液体ヘリウムが収納された冷媒容器により超電導現
象が起きる温度に保たれるように冷却されている。図７
は、従来のクライオスタットの概略の構成を示す図であ
る。このクライオスタット１０１は、アルミニューム合
金もしくはガラス繊維強化プラスチック( ＦＲＰ )から
形成された外壁１０２及びガラス繊維強化プラスチック
から形成された内壁１０３の２重層式容器であり、外壁
１０２と内壁１０３との間には真空断熱層( 高真空圧 )
１０４が形成されている。この真空断熱層１０４内部(
外壁１０２の内面、内壁１０３の外面 )に、スーパーイ
ンシュレーション( アルミニュームの薄膜を蒸着したフ
ィルム )を貼付けて、断熱性をさらに高めている。

【０００４】このクライオスタット１０１の内部は液体
ヘリウム１０５を収納するリザーバ１０６となってお
り、このリザーバ１０６の上部に気化したヘリウムが外
部へ放出される蒸発路１０７及び蒸発口１０８とが形成
されている。この蒸発口１０８には断熱材と熱輻射板と
を交互に多層形成した栓( 図示せず)でほぼ密閉するこ
とにより、このクライオスタット１０１の内部の温度と
外部の温度との間に高い熱勾配を設けて、内部の液体ヘ
リウム１０５の気化を防止している。なお、栓には漏洩
口として気化したヘリウムガスを外部へ排出する圧力弁
が設けられている。

【０００５】リザーバ１０６の下部には、上述した超電
導コイル等の超電導部品１０９が配置され、液体ヘリウ
ム１０５により超電導現象が起こるように直接又は間接
的に冷却される。最近、液体ヘリウムの維持費削減のた
めに、クライオスタットの内部( 容器内部、リザーバ内
部 )の温度を下げるための冷凍機を備える方法や、気化
したヘリウムを再び液体ヘリウムに液化するための液化
機を備える方法が研究されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のクライオスタッ
ト１０１では、液体ヘリウム１０５を収納する容器とし
て設計されており、傾けて使用することは考慮されてい
ない。クライオスタット１０１における液体ヘリウム１
０５の蒸発量の増加は、液体ヘリウムが高価であるため
経費( ランニングコスト )の上昇となるので、液体ヘリ
ウム１０５の蒸発量の低減が要望されている。

【０００７】液体ヘリウム１０５の蒸発量は、蒸発口１
０８から蒸発路１０７を介してみた液体ヘリウム１０５
の液面( 表面 )までの立体角で決まる。この蒸発量を小
さくする方法としては、立体角を小さくするように、図
９に示すように、蒸発路１０７を長くすることが考えら
れるが、これではクライオスタット１０１が長くなると
いう問題がある。さらに、クライオスタット１０１が長
く( 大きく )なると、クライオスタット１０１を設置す
る場所( 検査室：シールドルーム )の必要とする広さが
大きくなり、検査システム全体のコストアップにもなる
という問題があった。

【０００８】図８( ａ )と図８( ｂ )と比較すると判る
ように、クライオスタット１０１を傾けると、液体ヘリ
ウム１０５の空間に接する表面積が大きくなり、蒸発量
が増加するという問題がある。そこでこの発明は、容器
の形状寸法を大きくすることなく、冷媒物質の蒸発量を
低減することができる冷媒容器を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１対応の発明は、
熱の伝導を遮断する壁から形成された容器と、この容器
に形成され、この容器内に収納された液化又は固化され
た冷媒物質の一部が気化して収納部の圧力が予め設定さ
れた最大耐久圧以上にならないように、気化した冷媒物
質を収納部の外に漏洩させる漏洩口と、容器の内部に設
けられ、漏洩口側からその反対側への空間経路を長くす
るように形成された構造体とを設けたものである。

【００１０】請求項２対応の発明は、請求項１対応の発
明において、構造体は、漏洩口側を上方として最上層の
上面板の開口から最下層の下面板の開口までの空間経路
を長くするように各層間の仕切板に開口を形成した多層
構造体である。請求項３対応の発明は、請求項１及び請
求項２のいずれか１項対応の発明において、構造体は熱
伝導性の高い材料で形成され、構造体を冷媒物質の気化
を抑制する温度に冷却する冷却手段を設けたものであ
る。請求項４対応の発明は、前記請求項３対応の発明に
おいて、冷却手段は、構造体を気化した冷媒物質を再液
化又は再固化する温度に冷却するものである。

【００１１】請求項５対応の発明は、請求項１乃至請求
項４のいずれか１項対応の発明において、構造体の空間
経路に面する表面に鏡面処理を施したものである。請求
項６対応の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１
項対応の発明において、容器の内側表面に鏡面処理を施
したものである。請求項７対応の発明は、請求項５及び
請求項６のいずれか１項対応の発明において、鏡面処理
において金属蒸着が含まれている場合には、鏡面処理の
表面層に渦電流を防止する溝を形成したものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の第１の実施の形
態を図１乃至図４を参照して説明する。図１は、この発
明を適用したクライオスタットの概略の構成を示す図で
ある。このクライオスタット１は、アルミニューム合金
もしくはガラス繊維強化プラスチック( ＦＲＰ )から形
成された外壁２及びガラス繊維強化プラスチックから形
成された内壁３の２重層式容器であり、前記外壁２と前
記内壁３との間には真空断熱層( 高真空圧 )４が形成さ
れている。この真空断熱層４内部( 外壁２の内面、内壁
３の外面 )に、熱シールド用銅の短冊とその熱伝導のた
めのアンカー(リザーバ上部 )、スーパーインシュレー
ション( アルミニュームの薄膜を蒸着したフィルム )な
どの熱反射材を挟み入れて、断熱性をさらに高めてい
る。

【００１３】前記クライオスタット１の内部は液体ヘリ
ウム５を収納するリザーバ６となっており、このリザー
バ６の上部に気化したヘリウムが外部へ放出される蒸発
路７及び蒸発口８とが形成されている。通常、この蒸発
口８には断熱材と輻射板とを交互に多層形成した栓９で
ほぼ密閉することにより、前記クライオスタット１の内
部の温度と外部の温度との間に高い熱勾配を設けて、内
部の液体ヘリウム５の気化を防止している。なお、前記
栓９には、漏洩口として気化したヘリウムガスを外部へ
排出する圧力弁が設けられている。

【００１４】前記リザーバ６の下部には、超電導コイル
等の超電導部品１０が配置され、液体ヘリウムにより超
電導現象が起こるように直接又は間接的に冷却される。
なお、図示しないが、前記液体ヘリウム５の液面の位置
を検出する液面計は、前記真空断熱層４の内部( 内壁３
の外面 )に設けられ、温度検出に基づくものである。す
なわち、前記液体ヘリウム５の液面が境界となって、温
度の断層( 例えば、絶対温度４Ｋと７Ｋ )が存在し、こ
のことにより液面の位置が容易に検出できる。なお、こ
の液面計は、直接前記リザーバ６中( 内壁３の内面 )に
設けられても良いものである。

【００１５】前記リザーバ６の中に、複数枚のフィンを
イレコ状に配置した多層構造体１１が設けられている。
すなわち、この多層構造体１１は、図２( ａ )及び図２
( ｂ )に示すように、円筒部材１１-1の中に一部切欠部
が形成された円板形状の例えば４枚のフィン１１-2〜１
１-5を等間隔に平行に配置し、その切欠部間の距離が一
番長くなるように、切欠部の位置を交互に対角の位置へ
配置したものである。

【００１６】この多層構造体１１に液体ヘリウムが触れ
る場合、多層構造体の各フィン１１-2〜１１-5には、安
全のために気化したヘリウムが抜ける切り込みと反射側
にガス抜き穴を開けておく必要がある。

【００１７】この円筒形状の多層構造体１１を前記リザ
ーバ６の中に収納するためには、前記外壁２と前記内壁
３とがそれぞれ前記リザーバ６の位置で( 上下に )分割
できる構成が必要である。前記外壁２及び前記内壁３の
各接続部は、それぞれ保守管理時に開閉できるようにパ
ッキン構造とする。すなわち、図３に示すように、接続
部では前記外壁２及び前記内壁３とも膨らみ部が形成さ
れており、各膨らみ部の接続面にはシール材としての高
真空圧用のインジュームシール( Ｏリング )１２を内側
・外側２重に配置する浅い溝が形成されている。また、
各膨らみ部の数か所には均等して前記インジュームシー
ル１２に圧縮力をかけるためのダイフロンネジ１３が固
定されるための貫通穴が設けられている。

【００１８】前記外壁２及び前記内壁３において、それ
ぞれ浅い溝に位置決めされたインジュームシール１２
は、前記外壁２及び前記内壁３の上下の浅い溝に挟ま
れ、前記各膨らみ部の数か所に形成された貫通穴に取付
けられたダイフラインネジ１３による( 低温収縮による
)締付けで圧縮されて前記外壁２及び前記内壁３の各接
続部を確実にシールする。

【００１９】液体ヘリウムによる冷却作用がシール材１
２に伝導して、超電導になる可能性がある場合には遮蔽
電流が流れないように、( Ｏリング形状の )シール材中
にスリットをいれてループ回路にならないようにする。
この時、スリットの位置は内側・外側２重のシール材に
おいて最も離れた位置になるようにずらし、内側・外側
２重のシール材の間の部分に石鹸やグリセリンシール等
を塗布してその部分におけるシール性( 密封性 )を高
め、スリットによるシール性の劣化を防止する。もしく
は、２つの金属シールの間にゴム系シール材( Ｏリング
)を設けても良い。また、内側外側２重のシール材( イ
ンジュームシール１２ )の間の部分を嵌合するように凹
凸形状にすると、その部分のシール性がより高まる。

【００２０】一方、前記多層構造体１１を前記リザーバ
６の中に収納( 前記内壁３の内面に固定 )する方法は、
前記多層構造体１１の円筒部材１１-1の外形寸法を前記
内壁３の内径寸法と嵌合するように形成し、この円筒部
材１１の外周と前記内壁３の内周とを( 超 )低温系接着
剤にて固定する。なお、前記多層構造体１１の形状及び
この低温系接着剤による接着においては、熱膨張率を考
慮する必要がある。

【００２１】このような構成の第１の実施の形態におい
ては、蒸発口８から液体ヘリウム５の液面までの経路長
は、蒸発口８から液体ヘリウム５までの直線距離に加え
て多層構造体１１における空間経路の長さを加えたもの
となる。従って、蒸発口８と液体ヘリウム５の液面との
温度勾配は、その経路長の延長により大きくなる。

【００２２】また、蒸発口８から蒸発路７を介して見た
液体ヘリウム５の液面までの( 蒸発量に関与する仮想の
)立体角は、多層構造体１１の空間経路を介するため極
めて小さくなる。従って、基本的な液体ヘリウム５の蒸
発量が小さく抑えられる。

【００２３】さらに、図４( ａ )に示すように、蒸発口
方向を上としたときの多層構造体１１の下数層まで液体
ヘリウム５が満たしている場合には、図４( ｂ )に示す
ように、クライオスタット１を傾けても、液体ヘリウム
５の気体ヘリウムと接触する表面積は、多層構造体１１
がないときに比べて小さい。従って、クライオスタット
１を傾けて使用しても、液体ヘリウム５の蒸発量は多層
構造体１１がないときに比べて低減できる。

【００２４】このようにこの第１の実施の形態によれ
ば、リザーバ６中に多層構造体１１を設けたことによ
り、容器の形状寸法を大きくすることなく、蒸発口８か
ら蒸発路７を介して見た液体ヘリウム５の液面までの立
体角を小さくすることができ、しかも蒸発口８から液体
ヘリウム５までの経路長を長くして温度勾配を大きくす
ることができるので、液体ヘリウム５の蒸発量を低減す
ることができ、また、クライオスタット１を傾けて使用
しても液体ヘリウム５の蒸発量の増加を防止することが
できる。

【００２５】また、図４に示すように、収納する液体ヘ
リウム５の量に応じて、液体ヘリウム５の液面が多層構
造体１１内の少なくとも最下層を満たす程度に、多層構
造体１１のフィンの枚数及び設置位置等を考慮すれば、
クライオスタット１の気体ヘリウム５と接触する表面積
を小さくすることができると共に、クライオスタット１
を傾けてもほとんど液体ヘリウム５の表面積を多層構造
体１１がない場合に比べて増加させることがないので、
使用角度に関係なく液体ヘリウム５の蒸発量を低減する
ことができる。

【００２６】この発明の第２の実施の形態を図５を参照
して説明する。なお、この第２の実施の形態は、ほとん
ど前述の第１の実施の形態とほとんど同一構成であるの
で、同一部材には同一符号を付して、その説明は省略す
る。図５は、この発明を適用した多層構造体１１を示す
図である。この多層構造体１１は、熱導電性の材料によ
り形成され、冷凍機２１に接続された冷凍機ジョイント
２２が接触又は接続されている。熱電動性の材料として
は一般的には銅、アルミニューム等の純金属が考えられ
るが、非金属としてはシリコン等の純度の高い単結晶材
料やセラミックス材料等も考えられる。

【００２７】このような構成の第２の実施の形態におい
ては、冷凍機２１により冷凍機ジョイント２２を介して
多層構造体１１が冷却される。この冷凍機２１により多
層構造体１１を気体ヘリウムが液化する絶対温度４Ｋ付
近( 約４Ｋ〜７Ｋ )まで冷却すれば、蒸発路７とリザー
バ６との間の温度勾配を大きくすることができ、一方、
リザーバ６の液体ヘリウム５側の温度と液体ヘリウム５
の液面の温度との温度差が小さくなる。また、冷凍機２
１により多層構造体１１を絶対温度４Ｋ以下に冷却すれ
ば、上述の作用に加え、多層構造体１１の空間経路中に
おいて、気体ヘリウムが再び液化して液体ヘリウムに戻
る。

【００２８】このようにこの第２の実施の形態によれ
ば、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる
と共に、多層構造体１１を冷凍機２１により冷凍機ジョ
イント２２を介してヘリウムの液化温度絶対温度４Ｋ近
傍又はそれ以下に冷却することにより、リザーバ６の液
体ヘリウム５側の温度を液体ヘリウム５の液面の温度と
の差がないようにして、液体ヘリウム５の蒸発量を確実
に低減することができる。さらに、気化したヘリウムを
再び液化して、液体ヘリウム５の蒸発による損失を回復
することができ、液体ヘリウム５の使用効率向上を積極
的に図ることができる。

【００２９】この発明の第３の実施の形態を図６( ａ )
及び図６( ｂ )を参照して説明する。なお、この第３の
実施の形態も、前述の第１の実施の形態とほとんど同一
構成であるので、同一部材には同一符号を付して、その
説明は省略する。この第３の実施の形態の特徴は、前記
多層構造体１１のフィン１１-2〜１１-5の表面又は、多
層構造体１１のフィン１１-2〜１１-5の表面及び前記リ
ザーバ６の内表面( 前記内壁３の内面 )に鏡面加工( 鏡
面処理 )を施したことにある。この鏡面加工は、例えば
アルミ蒸着又は銀蒸着によりそれらの表面に保護膜を形
成したものである。特に、リザーバ６の下部の超電導部
品１０が配置されている部分の内表面には、金属の固有
のノイズが超電導部品１０の性能( 検出能力 )を低下さ
せないように、鏡面処理に使用する金属として、抵抗率
が高く、反射率が大きく、超電導に転移しない金属を選
択する。

【００３０】ところで、鏡面加工において金属蒸着され
た場合には、渦電流が発生する可能性があるので、表面
の金属蒸着層( 保護膜 )に図６( ａ )に示すようにスリ
ット( 溝 )を形成する。なお、フィン１１-2( 〜１１-5
)のように両面に金属蒸着するものにおいては、スリッ
トは表の面と裏の面とで直交するように形成される。ま
た、図６( ｂ )に示すように十文字にスリットを形成す
れば、フィンのように両面に金蒸着するものにおいて、
表の面と裏の面とでスリットの向きを注意する必要はな
い。

【００３１】このような構成のこの第３の実施の形態に
おいては、外部から侵入する輻射熱等が、鏡面加工され
た各表面により反射される。また、地上には高周波電磁
波が飛び交っており、フィン１１-2( 〜１１-5 )等のよ
うに板形状に金属蒸着したものには、高周波電磁波の作
用により、渦電流が発生する可能性があるが、スリット
を形成しているため、スリットにより渦電流が流れるの
が阻止され、実際には渦電流の発生がない。

【００３２】このようにこの第３の実施の形態によれ
ば、前述の第１の実施の形態の効果が得られると共に、
リザーバ６の内のフィン１１-2〜１１-5の表面、内壁３
の内面等に鏡面加工を施すことにより、外部から侵入す
る輻射熱等を反射して、液体ヘリウム５の蒸発量が増加
するのを防止することができる。

【００３３】なお、この発明は上述した３つの実施の形
態に限定されるものではなく、第２の実施の形態と第３
の実施の形態とを組合わても良いものである。さらに、
多層構造体１１及びフィン１１-2〜１１-5の形状につい
ても、この実施の形態では１例を示すものであり、この
発明はこれに限定されるものではなく、この発明の要旨
を逸脱しない範囲で変形可能なものである。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
容器の形状寸法を大きくすることなく、冷媒物質の蒸発
量を低減することができる冷媒容器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態のクライオスタッ
トの概略の構成を示す模式的な断面図。

【図２】同実施の形態のクライオスタットの多層構造体
の構成を示す斜視図。

【図３】同実施の形態のクライオスタットの外壁２と内
壁３の分割接続部の構成を示す断面図。

【図４】同実施の形態のクライオスタットを傾けないで
使用した時及び傾けて使用した時の収納されている液体
ヘリウムの状態を示す図。

【図５】この発明の第２の実施の形態のクライオスタッ
トの多層構造体を示す断面図。

【図６】この発明の第３の実施の形態のクライオスタッ
トの多層構造体の１枚のフィンを示す図。

【図７】従来例のクライオスタットの概略の構成を示す
模式的な断面図。

【図８】従来例のクライオスタットを傾けないで使用し
た時及び傾けて使用した時の収納されている液体ヘリウ
ムの状態を示す図。

【図９】従来例の蒸発口からみた液体ヘリウム１０５の
液面までの立体角を小さくしたクライオスタットの概略
の構成を示す模式的な断面図。

【符号の説明】

１…クライオスタット、 ２…外壁、 ３…内壁、 ４…真空断熱層、 ６…リザーバ、 ７…蒸発路、 ８…蒸発口、 １１…多層構造体、 １１-1…円筒部材、 １１-2〜１１-5…フィン、 １２…インジュームシール、 １３…ダイフロンネジ、 ２１…冷凍機、 ２２…冷凍機ジョイント。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱の伝導を遮断する壁から形成された容
   器と、 この容器に形成され、この容器内に収納された液化又は
   固化された冷媒物質の一部が気化して収納部の圧力が予
   め設定された最大耐久圧以上にならないように、気化し
   た冷媒物質を収納部の外に漏洩させる漏洩口と、 前記容器の内部に設けられ、前記漏洩口側からその反対
   側への空間経路を長くするように形成された構造体とを
   設けたことを特徴とする冷媒容器。
2. 【請求項２】 前記構造体は、前記漏洩口側を上方とし
   て最上層の上面板の開口から最下層の下面板の開口まで
   の空間経路を長くするように各層間の仕切板に開口を形
   成した多層構造体であることを特徴とする請求項１記載
   の冷媒容器。
3. 【請求項３】 前記構造体は熱伝導性の高い材料で形成
   され、 前記構造体を前記冷媒物質の気化を抑制する温度に冷却
   する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１及び請
   求項２のいずれか１項記載の冷媒容器。
4. 【請求項４】 前記冷却手段は、前記構造体を気化した
   冷媒物質を再液化又は再固化する温度に冷却することを
   特徴とする請求項３記載の冷媒容器。
5. 【請求項５】 前記構造体の空間経路に面する表面に鏡
   面処理を施したことを特徴とする請求項１乃至請求項４
   記載の冷媒容器。
6. 【請求項６】 前記容器の内側表面に鏡面処理を施した
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の冷媒容
   器。
7. 【請求項７】 前記鏡面処理において金属蒸着が含まれ
   ている場合には、鏡面処理の表面層に渦電流を防止する
   溝を形成したことを特徴とする請求項５及び請求項６の
   いずれか１項記載の冷媒容器。