JP2008306060A - 極低温格納容器冷却システム及びその運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被冷却物を冷媒に浸漬した状態で格納する貯蔵容器と真空容器との間に熱シールドを設け、その熱シールドを冷却する冷媒を極低温冷凍機により冷却するようにした極低温格納容器冷却システムにおいて、極低温冷凍機で発生する振動の抑制と、冷媒貯蔵容器からの冷媒の蒸発量抑制を図る。
【解決手段】貯蔵容器とそれを収容する真空容器及び熱シールドを備えた極低温格納容器と、極低温冷凍機を搭載した冷却源とを、輸送配管によって連結し、極低温冷凍機の振動が極低温格納容器に直接伝わらないようにした。輸送配管にベローズ部を設けることで更に振動を低減できる。また、極低温に冷却したヘリウムガスを利用する循環冷却方式とし、最も低温に冷却された冷媒を用いて２枚設置した熱シールドのうちの低温側シールドを冷却し、次に１枚のみ設置した熱シールドを冷却し、最後に２枚設置したうちの高温側シールドを冷却して、冷媒の蒸発量を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は極低温格納容器の冷却システムとその運用方法に係り、特に液体ヘリウムなどの冷媒を用いて極低温に冷却する冷媒貯蔵型極低温格納容器の冷却システムとその運用方法に関する。

近年、ＭＲＩやＮＭＲのように高磁場を必要とする装置の需要が増大している。これらの装置では、高磁場を発生するために超電導マグネットを使用している。また、微弱な磁場を計測するために超電導を利用したデバイスが適用されている。これらの被冷却物は極低温冷媒に浸漬された状態で冷却されており、一般には沸点が４．２Ｋ（−２６９℃）の液体ヘリウムが冷媒として使用されている。

液体ヘリウムは蒸発潜熱が小さく、大気圧下にある液体ヘリウムの蒸発潜熱は２０．７［ｋＪ／ｋｇ］である。これは水の大気圧下での蒸発潜熱（２２５７［ｋＪ／ｋｇ］）の１００分の１以下であり、わずかな熱侵入でも大量の液体ヘリウムが蒸発する。したがって、液体ヘリウムで冷却しているシステムでは、定期的に液体ヘリウムの補充が必要となる。

極低温容器に貯蔵した液体ヘリウムへの熱侵入を抑制するために、液体ヘリウムを貯蔵する容器と真空容器との間の真空槽に熱シールドを設置し、この熱シールドを室温である真空容器と、液体ヘリウム温度の中間温度に冷却して、室温である真空容器からの輻射熱が液体ヘリウム容器に直接伝わらないようにすることが知られている(例えば、特許文献１，２参照)。

熱シールドは通常２枚設けられ、真空容器側に設置された高温側の熱シールドが７７Ｋ〜２００Ｋ程度、液体ヘリウムを貯蔵する容器側に設置された熱シールドが４．２Ｋ〜７７Ｋ程度で、それぞれ冷却されている。

熱シールドの冷却源としては、一般に液体ヘリウムから蒸発したヘリウムガスの顕熱が利用されている。この場合、液体ヘリウムの蒸発量が少なくなると、ヘリウムガスの流量が減少するため、熱シールドを冷却する性能が低下し、熱シールド冷却温度が上昇してしまう。

また、熱シールドを設置するためには、熱シールドと液体ヘリウムを貯蔵する容器とが接触しないためのスペース、および熱シールドと真空容器とが接触しないためのスペースが必要となる。熱シールドを２枚設置した場合には、更に内側（低温側）の熱シールドと外側（高温側）の熱シールドとの接触を防止するためのスペースが必要となり、液体ヘリウムを貯蔵する容器内に設置した被冷却物と真空容器表面との距離が長くなる。

生体磁気計測では、被冷却物である超電導デバイスと真空容器表面との距離が感度に大きく影響するため、可能な限り被冷却物と真空容器表面との距離を近づけたいという要求がある。また、強磁場を発生する超電導マグネットにおいても、被冷却物である超伝導マグネットと真空容器表面との距離を近づけて、より強い磁場を活用したいとの要求がある。

このためには、被冷却物と真空容器表面との距離を縮めた極低温容器構造とすることが望ましい。特許文献１では、熱シールドを１枚にして、貯蔵容器と真空容器との距離を縮めている。

熱シールドを低温に冷却することで、熱シールドが１枚であっても液体ヘリウムの蒸発量を低減することができる。このために、極低温冷凍機を用いて熱シールドを冷却することが知られている。

冷凍機を用いない場合、熱シールドの冷却源は液体ヘリウムから蒸発したヘリウムガスの顕熱である。したがって、蒸発量が少ない場合、ヘリウムガスが熱シールドを冷却する温度が上昇し、熱シールドからの輻射熱量が増大する。極低温冷凍機を用いない場合には、このように熱シールド温度と蒸発したヘリウムガスの熱シールド冷却性能とのバランスにより、熱シールド温度および液体ヘリウムの蒸発量が決まってしまう。

しかし、極低温冷凍機を用いることにより、液体ヘリウムの蒸発量が少なくても、より低温に熱シールドを冷却することが可能となり、液体ヘリウムの蒸発量を少なくすることができる。

特開２００２−２３２０３０号公報 特開２００２−２３２０２９号公報

極低温冷凍機を活用することにより、極低温冷媒格納容器の断熱性能は向上する。しかし、極低温冷凍機は、冷凍機構造や冷却方式の違いにより、異なるレベルではあるが必ず振動が発生する。このため、微弱な振動が感度に影響する生体磁気計測やＮＭＲ用マグネットには適用が難しい。

また、被冷却物である超電導デバイスの感度を高めたり、超電導マグネットにおける真空容器表面での磁場強度を高めたりするためには、被冷却物から真空容器表面までの距離を短くする必要がある。これを実現するために、貯蔵容器と真空容器との間の真空槽に設置された熱シールドの枚数を減らして、熱シールド同士の接触防止のために設けられたスペースをなくし、貯蔵容器と真空容器との距離を短くすることが行われてきた。しかし、超電導デバイスのマルチチャンネル化や超電導マグネットの強磁場化に伴い、熱シールドを１枚しか設置できない部分の表面積が大きくなり、熱シールドから貯蔵容器への輻射熱が増大するという問題があった。

本発明の目的は、極低温冷凍機を用いて熱シールドを冷却する場合の振動の問題を解決できる極低温格納容器冷却システムと、冷媒貯蔵容器からの冷媒の蒸発量を抑制できる運用方法を提供することにある。

本発明は、冷媒に浸漬された状態で被冷却物を格納する貯蔵容器と、前記貯蔵容器の周囲に設置され、前記貯蔵容器との間に真空槽を形成する真空容器と、前記真空槽に設置された熱シールドと、前記熱シールドに固定された冷媒配管を有する極低温格納容器と、前記冷媒配管を流れる冷媒を冷却するための極低温冷凍機を搭載した冷却源と、前記冷却源と前記極低温格納容器とを連結する冷媒輸送配管とを具備し、前記極低温冷凍機により冷却された冷媒が前記輸送配管を通って前記極低温格納容器に送られるようにしたことを特徴とする極低温格納容器冷却システムにある。

また本発明は、冷媒を貯蔵し、被冷却物を格納する貯蔵容器と、前記貯蔵容器の周囲に設置され、前記貯蔵容器との間に真空槽を形成する真空容器と、前記真空槽に設置された熱シールドにより構成され、前記熱シールドが前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された部分と、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された部分を持ち、前記２枚設置された熱シールドのそれぞれと、前記１枚設置された熱シールドに固定された冷媒配管を持ち、前記冷媒配管の内部に、前記貯蔵容器に貯蔵された前記冷媒と異なる冷媒が流れ、その冷媒配管を流れる冷媒が前記２枚設置された熱シールドと前記１枚設置された熱シールドを冷却するように構成された極低温格納容器と、
内部が真空となる第２の真空容器と、前記第２の真空容器に取り付けられた極低温冷凍機と、前記第２の真空容器内部に設置され、前記極低温冷凍機の寒冷発生部に取り付けられた少なくとも１台の熱交換部と、前記第２の真空容器内に設置された少なくとも１台の向流熱交換器と、内部に冷媒が流れる第２の冷媒配管を持ち、前記熱交換部と前記向流熱交換器が前記第２の冷媒配管により連結されている冷却源と、
内部に冷媒が流れる第３の冷媒配管と、前記第３の冷媒配管との間で真空層を形成する第３の真空容器を有する輸送配管とを有し、
前記極低温格納容器に設置された前記熱シールドに固定された冷媒配管と、前記冷却源に設置された第２の冷媒配管が、前記第３の冷媒配管により連結され、前記低温格納容器における前記真空容器と、前記冷却源における前記第２の真空容器が、前記第３の真空容器により連結されていることを特徴とする極低温格納容器冷却システムにある。

また本発明は、冷媒を貯蔵し、被冷却物を格納する貯蔵容器と、前記貯蔵容器の周囲に設置され、前記貯蔵容器との間に真空槽を形成する真空容器と、前記真空槽に設置された熱シールドにより構成され、前記熱シールドが前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された部分と、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された部分を持ち、前記２枚設置された熱シールドのそれぞれと、前記１枚設置された熱シールドに固定された冷媒配管を持ち、前記冷媒配管の内部に、前記貯蔵容器に貯蔵された前記冷媒と異なる冷媒が流れ、その冷媒配管を流れる冷媒が前記２枚設置された熱シールドと前記１枚設置された熱シールドを冷却するように構成された極低温格納容器と、
内部が真空となる第２の真空容器と、前記第２の真空容器に取り付けられた極低温冷凍機と、前記第２の真空容器内部に設置され、前記極低温冷凍機の寒冷発生部に取り付けられた少なくとも１台の熱交換部と、前記第２の真空容器内に設置された少なくとも１台の向流熱交換器と、内部に冷媒が流れる第２の冷媒配管を持ち、前記熱交換部と前記向流熱交換器が前記第２の冷媒配管により連結されている冷却源と、
内部に冷媒が流れる第３の冷媒配管と、前記第３の冷媒配管との間で真空層を形成する第３の真空容器を有する輸送配管とを有し、
前記極低温格納容器に設置された前記熱シールドに固定された冷媒配管と、前記冷却源に設置された第２の冷媒配管が、前記第３の冷媒配管により連結され、前記低温格納容器における前記真空容器と、前記冷却源における前記第２の真空容器が、前記第３の真空容器により連結されている極低温格納容器冷却システムの運用方法であって、
前記低温格納容器における前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、前記貯蔵容器側に設置された熱シールドを前記冷却源で冷却された冷媒で最初に冷却し、
これにより温度上昇した前記冷媒を、前記冷却源における前記向流熱交換器の低温源として活用して、前記向流熱交換器で対向する冷媒との間で熱交換を行い、
これにより温度が上昇した前記冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドを冷却し、
前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドとの熱交換により温度上昇した冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、真空容器側に設置された熱シールドを冷却するようにしたことを特徴とする極低温格納容器冷却システムの運用方法にある。

また本発明は、冷媒を貯蔵し、被冷却物を格納する貯蔵容器と、前記貯蔵容器の周囲に設置され、前記貯蔵容器との間に真空槽を形成する真空容器と、前記真空槽に設置された熱シールドにより構成され、前記熱シールドが前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された部分と、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された部分を持ち、前記２枚設置された熱シールドのそれぞれと、前記１枚設置された熱シールドに固定された冷媒配管を持ち、前記冷媒配管の内部に、前記貯蔵容器に貯蔵された前記冷媒と異なる冷媒が流れ、その冷媒配管を流れる冷媒が前記２枚設置された熱シールドと前記１枚設置された熱シールドを冷却するように構成された極低温格納容器と、
内部が真空となる第２の真空容器と、前記第２の真空容器に取り付けられた極低温冷凍機と、前記第２の真空容器内部に設置され、前記極低温冷凍機の寒冷発生部に取り付けられた少なくとも１台の熱交換部と、前記第２の真空容器内に設置された少なくとも１台の向流熱交換器と、内部に冷媒が流れる第２の冷媒配管を持ち、前記熱交換部と前記向流熱交換器が前記第２の冷媒配管により連結されている冷却源と、
内部に冷媒が流れる第３の冷媒配管と、前記第３の冷媒配管との間で真空層を形成する第３の真空容器を有する輸送配管とを有し、
前記極低温格納容器に設置された前記熱シールドに固定された冷媒配管と、前記冷却源に設置された第２の冷媒配管が、前記第３の冷媒配管により連結され、前記低温格納容器における前記真空容器と、前記冷却源における前記第２の真空容器が、前記第３の真空容器により連結されている極低温格納容器冷却システムの運用方法であって、
前記極低温格納容器における前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、貯蔵容器側に設置された熱シールドを前記冷却源で冷却された冷媒で最初に冷却し、
これにより温度上昇した前記冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドを冷却し、
これにより温度上昇した前記冷媒を、前記冷却源における前記向流熱交換器の低温源として活用して、前記向流熱交換器で対向する冷媒との間で熱交換を行い、
これにより温度が上昇した前記冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、真空容器側に設置された熱シールドを冷却するようにしたことを特徴とする極低温格納容器冷却システムの運用方法にある。

本発明において、極低温格納容器の貯蔵容器と真空容器との間に設置された熱シールドは分割された構造とし、分割された熱シールド同士を低熱伝導率材料で連結することが望ましい。

また、本発明では、極低温格納容器と冷却源を連結する冷媒輸送配管における第３の真空容器の少なくとも一部に、ベローズ部を設けることが望ましい。冷媒輸送配管における第３の冷媒配管の少なくとも一部にベローズ部が設けることも望ましい。

冷媒輸送配管を構成する第３の真空容器の少なくとも一部にベローズ部を設け、そのべローズ部の途中で床に対して固定することは更に望ましい。

本発明によれば、極低温冷凍機を使用した場合の振動の問題を解消でき、また、極低温格納容器における冷媒貯蔵容器からの液体ヘリウムの蒸発量を抑制することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。

図３は本発明に係る極低温格納容器冷却システムの概略構成を示す図である。本発明の極低温格納容器冷却システムは、貯蔵部１００と冷却源１０１および輸送配管１０２により構成されている。冷却源１０１には、ここでは図示していないが極低温冷凍機が搭載されており、極低温冷凍機は図示しない圧縮機と高圧配管により連結されている。極低温冷凍機を使用することにより，例えば液体窒素や液体ヘリウムなどの冷媒を補充する必要がなくなる。また、極低温冷凍機の冷却ステージで発生する液体窒素温度以下の寒冷を利用することができる。

図３では、輸送配管１０２の一部にベローズ１０４を設けている。また、ベローズ１０４の途中で支持台１０５を用いて、ベローズ１０４を床に対して固定している。

冷却源１０１には振動を発生する極低温冷凍機が存在する。この極低温冷凍機は、極低温冷凍機が固定された冷却源１０１自体に一定の振動を与えることになる。冷却源１０１で発生した振動は、輸送配管１０２を伝わって貯蔵部１００に伝わることになる。

輸送配管１０２の少なくとも一部にベローズ１０４を設けることによって、冷却源１０１で発生した振動が貯蔵部１００に伝わる前に減衰させることができる。また、輸送配管１０２に設けたベローズ１０４の途中で、ベローズ１０４を床に対して剛性高く支持台１０５に固定することにより、ベローズ１０４の固定部における振動を更に小さくすることができる。また、ベローズ１０４を床に固定した位置から貯蔵部１００の間にベローズ１０４があることにより、貯蔵部１００に伝わる振動が更に小さくなる。ベローズ１０４と支持台１０５の固定部は剛性の高いステンレス鋼パイプなどであっても構わないが、その場合には固定部の両端にベローズを設けることが望ましい。

図１は本発明を適用したＮＭＲ用超電導マグネットにおける極低温冷媒貯蔵容器貯蔵部の断面を示す図である。貯蔵部１００は、冷媒５を貯蔵し被冷却物である超電導マグネット１ａを格納した貯蔵容器２と、貯蔵容器２との間で真空槽１０を生成する真空容器３と、真空槽１０内で貯蔵容器２の周囲に設置された２重の熱シールド７，８と、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に１枚だけ設置された熱シールド９と、各熱シールドを冷却するための冷媒が流れる冷媒配管１１により構成されている。

超電導マグネット１ａで発生する強磁場を有効に活用するためには、超電導マグネット１ａとマグネットの中心を貫通するアクセスポート１４の壁との距離を近づける必要がある。

貯蔵部１００は一般にはステンレス鋼やアルミニウムを用いて製作されるが、特にアクセスポート１４は材料の持つ磁性が問題となるため、磁化率の小さいアルミニウムを用いて製作されることが望ましい。

以下、真空槽１０内で貯蔵容器２の周囲に設置された２重の熱シールド７，８のうち、室温である真空容器３側に設置された熱シールド８を高温シールド、貯蔵容器２側に設置された熱シールド７を低温シールドと称する。

高温シールド８は室温である真空容器３からの輻射を受け、低温シールド７は高温シールド８からの輻射を受けることになる。熱シールドが２重に設置された部分では、貯蔵容器２は低温シールド７からの輻射を受けることになる。

一方、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に１枚だけ設置された熱シールド９は、室温であるアクセスポート１４からの輻射を受ける。熱シールドが１枚だけ設置された部分では、熱シールド９の内側には貯蔵容器２があるため、貯蔵容器２は熱シールド９からの輻射を受けることになる。

熱シールド７，８，９は、冷媒配管１１と例えばアルミニウムテープによって熱的に接触しており、冷媒配管１１内を流れる極低温に冷却された冷媒との熱交換により冷却されている。冷媒配管１１は輸送区間ではステンレス鋼製のパイプで形成されている。熱シールド７，８，９と冷媒配管１１との熱接触部では熱伝導率が高く強度も強い銅配管で接続されている。熱シールド７，８，９と冷却配管１１との接触面積が十分に確保できる場合には、熱接触部の配管をステンレス鋼にしても良い。ただし、配管の肉厚は薄くする必要がある。

真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に２重に設置された熱シールド７は分割構造となっており、分割された各シールドには冷媒配管１１との熱接触部が設けられている。熱シールド７の分割は、分割された熱シールド７のシールド温度により決まり、同じ温度で冷却するシールド同士は結合することができる。室温部との連結部（開口部）と結合した熱シールドは、室温からの熱伝導を受けるために温度が高くなる。熱シールド温度が高い部分を少なくするために、室温部との連結部と結合した熱シールドは、他の熱シールドと切り離している。

図４は熱シールド分割部の固定構造を示す図である。熱シールドを分割した時、熱シールド同士に隙間ができると、隙間を通過する輻射熱が生じる。そのため、異なる温度で冷却される熱シールド６１，６２の間にスペーサ６５を挟みこんでいる。ここで、スペーサ６５の材質に熱伝導率の低いＧＦＲＰ（ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ）を用いることにより、熱シールド６１と熱シールド６２の間に温度差を設けることができる。この時、完全に密閉状態にしてしまうと、熱シールド内部を真空にすることができなくなるので、ガス抜き孔６６を数箇所設ける必要がある。また、ガス抜き孔６６を通過する輻射熱を防止するために、孔の内面の放射率を高くするほか、ガス抜き孔の周囲をガス抜きシールド６７で覆うことも有効である。

このように、熱シールド６１と熱シールド６２との間をＧＦＲＰなどの低熱伝導率材料で接合することによって、熱シールド同士の間で温度差を設けることができる。

真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に２重に設置された熱シールド８も熱シールド７と同様の構造となっている。

真空槽１０内で貯蔵容器２とアクセスポート１４の間に１枚だけ設置された熱シールド９は、真空槽１０を薄くした部分に冷媒配管１１を設置することが困難なため、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に２重に設置された熱シールド７，８の間に配管を設置して冷却している。

真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に２重に設置された熱シールドのうち高温シールド８と真空容器３の間には、図示しないが積層断熱材を設置して、室温である真空容器３から高温シールド８への輻射熱が低減するようにすることが望ましい。

また、真空槽１０内で貯蔵容器２とアクセスポート１４の間に１枚だけ設置された熱シールド９とアクセスポート１４の間にも、同じように図示しないが積層断熱材を設置して、室温である真空容器３から熱シールド９への輻射熱が低減するようにすることが望ましい。

図５は本発明を適用した冷却源の構造を示す断面図である。冷却源１０１は、第２の真空容器２１と第２の真空容器２１に固定された極低温冷凍機３０、第２の真空容器２１内に設置された向流熱交換器２２，２３、極低温冷凍機３０の第１冷却ステージ３１と熱的に結合した熱交換部４１、極低温冷凍機３０の第２冷却ステージ３２と熱的に結合した熱交換部４２、極低温冷凍機３０の第１冷却ステージ３１と熱的に結合した熱シールド２４および冷媒配管１１から構成されている。

図５では、極低温冷凍機３０にＧｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ（ギフォード・マクマホン）型冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機）を使用している。本実施例ではＧＭ冷凍機が１台のみであるが、冷却能力によっては冷凍機を複数台使用してもよい。冷却能力に問題がなければ、ＧＭ冷凍機よりも発生する振動が小さいパルス管冷凍機を適用してもよい。

冷媒配管１１の内部には図示しない圧縮機により加圧されたヘリウムガスが充填されている。冷媒配管はステンレス鋼製である。室温である圧縮機から冷却源１０１に供給されたヘリウムガスは、まず向流熱交換器２２を通過する際に、対向するヘリウムガスとの間で熱交換を行い、低温に冷却される。次に極低温冷凍機３０の第１冷却ステージ３１と熱的に結合した熱交換部４１で、極低温冷凍機３０の第１冷却ステージ３１と同じ温度まで冷却される。次に、向流熱交換器２３を通過する際、対向するヘリウムガスとの間で熱交換を行い、更に温度が低下する。次に極低温冷凍機３０の第２冷却ステージ３２と熱的に結合した熱交換部４２で、極低温冷凍機３０の第２冷却ステージ３２と同じ温度まで冷却され、輸送配管１０２の内部に設置された冷媒配管１１ａを通って貯蔵部１００に送られる。

貯蔵部１００内で被冷却物である熱シールドとの熱交換により温度上昇したヘリウムガスは、冷媒配管１１ｂを通って再び冷却源１０１に帰還して、向流熱交換器２３の低温源として使用される。ここで、対向するヘリウムガスとの間で熱交換を行い温度上昇したヘリウムガスは、冷媒配管１１ｃを通って再び貯蔵部１００に送られる。貯蔵部１００内で被冷却物である熱シールドとの熱交換により温度上昇したヘリウムガスは、冷媒配管１１ｄを通って再び冷却源１０１に帰還して、向流熱交換器２２の低温源として使用される。ここで、対向するヘリウムガスとの間で熱交換を行い、室温まで温度上昇したヘリウムガスは図示しない圧縮機に戻る。

このように、外部からの冷媒供給を必要としない、閉じた循環方式を採用することにより、内部の温度変動を小さく抑え、長時間の連続運転にも適用することができる。

極低温冷凍機３０の第１冷却ステージ３１と熱的に結合した熱シールド２４は、極低温冷凍機３０の第２冷却ステージ３２と向流熱交換器２３への輻射を低減している。極低温冷凍機３０の第１冷却ステージ３１と熱的に結合した熱シールド２４と真空容器２１との間には、図示しない積層断熱材を設置して真空容器２１から熱シールド２４への輻射熱を低減している。

極低温冷凍機３０から発生する振動は、第２の真空容器２１に設置された図示しない減衰機構により低減される。また、冷媒配管１１を伝わる振動は、冷媒配管１１の一部に設けられた図示しないベローズ部において低減される。また、輸送配管１０２は真空容器の一部が図示しないベローズ構造となっており、真空容器を伝わる振動を低減する。また，輸送配管１０２のベローズ部で床に剛性高く固定することにより、冷却源１０１での振動が貯蔵部１００に伝わるのを更に抑制できる。

図６は貯蔵部１００内に設置された熱シールドを、冷却源１０１で極低温に冷却した冷媒を用いて冷却する経路を示す図である。

冷却源１０１において極低温冷凍機３０の第２冷却ステージ３２と熱的に結合した熱交換部４２で、極低温冷凍機３０の第２冷却ステージ３２と同じ温度に冷却されたヘリウムガスは、冷媒配管１１ａを通って貯蔵部１００に送られ、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に２重に設置された熱シールドのうち低温シールド７を冷却する。低温シールド７の周囲には高温シールド８があるため、低温シールド７が高温シールド８から受ける輻射熱２０２は小さく、冷却配管１１を流れるヘリウムガスの温度上昇幅は小さい。

低温シールド７との熱交換により温度上昇したヘリウムガスは、冷媒配管１１ｂを通って一旦冷却源１０１に送られ、向流熱交換器２３の低温源として使用される。ここで、対向するヘリウムガスとの間で熱交換を行い、温度上昇したヘリウムガスは冷媒配管１１ｃを通って再び貯蔵部１００に送られ、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３との間に１枚設置された熱シールド９を冷却する。

熱シールド９は、室温である真空容器３からの輻射熱２０４を受けるため、冷媒であるヘリウムガスの温度が上昇する。この温度上昇したヘリウムガスを利用して、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３との間に２枚設置された熱シールドの内の高温シールド８を冷却する。高温シールド８は室温である真空容器３からの輻射熱２０１を受けるため、冷媒の温度は更に上昇する。

熱シールド９との熱交換で温度上昇したヘリウムガスは、冷媒配管１１ｄを通って冷却源１０１に送られ、向流熱交換器２２の低温源として利用される。

以上により、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に２重に設置された熱シールドのうち低温シールド７は４．２Ｋ〜１０Ｋ程度、高温シールド８は７０Ｋ〜１００Ｋ程度、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に１枚に設置された熱シールド９は２５Ｋ〜４５Ｋ程度に冷却される。貯蔵容器２は、低温シールド７からの輻射熱２０３と、熱シールド９からの輻射熱２０５を受けるが、それぞれの熱シールド温度が低いため貯蔵容器２からの液体ヘリウムの蒸発量を抑制することができる。

図８は輸送配管１０２の構造を示す断面図である。輸送配管１０２は、第３の真空容器３０１と、内部に冷媒が流れる冷媒配管３０２により構成されている。ここで、輸送配管１０２を構成する第３の真空容器３０１の少なくとも一部には、ベローズが用いられている。

真空容器３と第２の真空容器２１および第３の真空容器３０１は連結されている。また、真空容器３と第２の真空容器２１および第３の真空容器３０１の内部に設置された各冷媒配管は、図６の冷却経路を実現するように連結されている。

図７は貯蔵部１００内に設置された熱シールドを、冷却源１０１で極低温に冷却した冷媒を用いて冷却する経路の別の例を示す図である。全体構成は図３と同じである。また、貯蔵部１００の構造も図１と同じである。冷却源１０１の構造は図５と同じである。輸送配管１０２の構造は図８と同じである。

冷却源１０１において極低温冷凍機３０の第２冷却ステージ３２と熱的に結合した熱交換部４２で、極低温冷凍機３０の第２冷却ステージ３２と同じ温度に冷却されたヘリウムガスは、冷媒配管１１ａを通って貯蔵部１００に送られ、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に２重に設置された熱シールドのうち低温シールド７を冷却する。低温シールド７の周囲には高温シールド８があるため、低温シールド７が高温シールド８から受ける輻射熱２０２は小さく、冷却配管１１ａを流れるヘリウムガスの温度上昇幅は小さい。

低温シールド７との熱交換により温度上昇したヘリウムガスは、真空槽１０内で貯蔵容器２とアクセスポート１４との間に１枚設置された熱シールド９を冷却する。熱シールド９は、室温であるアクセスポート１４からの輻射熱２０４を受けるため、冷媒であるヘリウムガスの温度が上昇する。この温度上昇したヘリウムガスは冷却配管１１ｂを通って一旦冷却源１０１に送られ、向流熱交換器２３の低温源として使用される。

対向するヘリウムガスとの間で熱交換を行い温度上昇したヘリウムガスは、再び冷媒配管１１ｃを通って貯蔵部１００に送られ、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３との間に２枚設置された熱シールドの内の高温シールド８を冷却する。高温シールド８は室温である真空容器３からの輻射熱２０１を受けるため受熱量が大きく、冷媒の温度は更に上昇する。

高温シールド８との熱交換で温度上昇したヘリウムガスは、冷却配管１１ｄを通って再び冷却源１０１に送られ、向流熱交換器２２の低温源として利用される。

以上により、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に２重に設置された熱シールドのうち低温シールド７は１０Ｋ〜１５Ｋ程度、高温シールド８は７０Ｋ〜１００Ｋ程度、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に１枚に設置された熱シールド９は２０Ｋ〜３０Ｋ程度に冷却される。

本実施例により、貯蔵容器２への輻射熱量を小さくすることができる。貯蔵容器２は、低温シールド７からの輻射熱２０３と、熱シールド９からの輻射熱２０５を受けるが、それぞれの熱シールド温度が低いため、貯蔵容器２からの液体ヘリウムの蒸発量を抑制することができる。

本発明の冷却システムとその運用方法はＮＭＲ用のマグネットに限定されるものではない。例えば、ＭＲＩ用のマグネットにも適用可能である。

図２は、超電導デバイスを格納した極低温格納容器冷媒貯蔵部の断面を示す図である。極低温格納容器の全体構成は図３と同じである。また、冷却源の構造は図５と同じである。冷媒を循環する経路については、図５および図６に示したいずれの循環経路を用いても構わない。輸送配管の構造は図８と同じである。

ここで超電導デバイスとは、例えば微弱な磁場を計測するためのＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ：超電導量子干渉素子）のことである。ＳＱＵＩＤは地磁気の１００万分の１以下の微弱な磁場を計測することができる高感度な磁気センサである。高感度な計測を実現するためには、ＳＱＵＩＤ自体から生じる熱雑音を低減する必要があるため、液体ヘリウムを用いて極低温に冷却されている。

超電導デバイス１ｂから真空容器３の計測面３ａまでの距離が計測感度に大きく依存し、この距離を近づける程感度が大きく向上する。

貯蔵部１００は、冷媒５を貯蔵し、超伝導デバイス１ｂを格納した貯蔵容器２と、貯蔵容器２との間で真空槽１０を生成する真空容器３と、真空槽１０内で貯蔵容器２の周囲に設置された２重の熱シールド７，８と、真空槽１０内で貯蔵容器２と真空容器３の間に１枚だけ設置された熱シールド９と、各熱シールドを冷却するための冷媒が流れる冷媒配管１１により構成されている。真空容器３は輸送配管１０２の真空容器に接続されている。

貯蔵部１００は一般には非金属材料や非磁性材料で製作され、例えばＧＦＲＰを用いて製作される。貯蔵部を構成する熱シールドに生じる渦電流が超電導デバイス１ｂの計測に影響を与えることがあるため、超電導デバイス１ｂの周囲には冷媒配管１１を設置していない。熱シールド９と冷媒配管１１との接合部は、超電導デバイスの計測に問題がないだけの距離を離して設置している。これは、全ての熱シールドで共通である。

熱シールド９は、高温シールド８との間で、熱シールド８，９よりも熱伝導率の小さな材料、例えばＧＦＲＰで製作された断熱支持体１５により支持されている。温度の高い高温シールド８と熱シールド９を断熱支持体１５で支持することにより、高温シールド８と熱シールド９との間に温度差を設けることができ、熱シールド９の温度を低温に維持することができる。

本発明を適用したＮＭＲ用超電導マグネット極低温冷媒貯蔵容器貯蔵部の断面図である。 本発明を適用した超電導デバイス用極低温冷媒貯蔵容器貯蔵部の断面図である。 本発明を適用した極低温格納容器の構成図である。 本発明を適用した熱シールド結合部構造断面図である。 本発明を適用した冷却源構造断面図である。 本発明を適用した実施例における冷却経路図である。 本発明を適用した別の実施例における冷却経路図である。 本発明を適用した輸送配管の断面図である。

符号の説明

１ａ…超伝導マグネット、１ｂ…超伝導デバイス、２…貯蔵容器、３…真空容器、３ａ…計測面、５…冷媒、７…熱シールド（低温シールド）、８…熱シールド（高温シールド）、９…熱シールド、１０…真空槽、１１…冷媒配管、１１ａ〜１１ｄ…冷媒配管、１４…アクセスポート、１５…断熱支持体、２１…第２の真空容器、２２…向流熱交換器、２３…向流熱交換器、３０…極低温冷凍機、３１…極低温冷凍機の第１冷却ステージ、３２…極低温冷凍機の第２冷却ステージ、４１…熱交換部、４２…熱交幹部、１００…貯蔵部、１０１…冷却源、１０２…輸送配管、１０４…ベローズ、１０５…支持台、３０１…第３の真空容器、３０２…冷媒配管。

Claims (13)

1. 冷媒に浸漬された状態で被冷却物を格納する貯蔵容器と、前記貯蔵容器の周囲に設置され、前記貯蔵容器との間に真空槽を形成する真空容器と、前記真空槽に設置された熱シールドにより構成される極低温格納容器を備え、前記熱シールドに冷媒配管が固定され、前記冷媒配管を流れる冷媒が極低温冷凍機により冷却されるようにした極低温格納容器冷却システムにおいて、
   前記極低温冷凍機を搭載した冷却源と、前記冷却源を前記極低温格納容器と連結する冷媒輸送配管とを備え、前記極低温冷凍機により冷却された冷媒が前記輸送配管を通して前記極低温格納容器に送られるようにしたことを特徴とする極低温格納容器冷却システム。
2. 請求項１において、前記冷媒輸送配管の少なくとも一部にベローズ部が設けられていることを特徴とする極低温格納容器冷却システム。
3. 請求項１において、前記冷媒輸送配管が内部を冷媒が流れる冷媒配管とそれを包囲する真空容器とから構成され、前記真空容器の少なくとも一部にベローズが設けられていることを特徴とする極低温格納容器冷却システム。
4. 請求項３において、前記冷媒輸送配管における前記真空容器に設けられた前記ベローズの途中で床に対して固定されていることを特徴とする極低温格納容器冷却システム。
5. 請求項３において、前記冷媒輸送配管における前記冷媒配管の少なくとも一部にベローズが設けられていることを特徴とする極低温格納容器冷却システム。
6. 請求項１において、
   前記極低温格納容器が、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に前記熱シールドが２枚設置された部分と前記熱シールドが１枚設置された部分とを有し、
   前記冷却源に、内部が真空となる第２の真空容器と、前記第２の真空容器に取り付けられた前記極低温冷凍機と、前記第２の真空容器の内部に設置され、前記極低温冷凍機の寒冷発生部に取り付けられた少なくとも１台の熱交換部と、前記第２の真空容器内に設置された少なくとも１台の向流熱交換器と、内部に冷媒が流れる第２の冷媒配管が備えられ、前記熱交換部と前記向流熱交換器が前記第２の冷媒配管により連結されており、
   前記冷媒輸送配管が、内部に冷媒が流れる第３の冷媒配管と、前記第３の冷媒配管との間で真空層を形成する第３の真空容器を有し、
   前記熱シールドに固定された冷媒配管と、前記冷却源に備えられている前記第２の冷媒配管および前記冷媒輸送配管における前記第３の冷媒配管が連結されていることを特徴とする極低温格納容器冷却システム。
7. 請求項６において、前記極低温格納容器を構成する真空容器と、前記冷却源を構成する前記第２の真空容器が、前記冷媒輸送配管を構成する前記第３の真空容器により連結されていることを特徴とする極低温格納容器冷却システム。
8. 請求項１において、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に設置された前記熱シールドが分割された構造であり、分割された前記熱シールド同士が前記熱シールドよりも熱伝導率が低い材料で連結されていることを特徴とする極低温格納容器冷却システム。
9. 請求項６に記載の極低温格納容器冷却システムの運用方法であって、
   前記極低温格納容器を構成する前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、前記貯蔵容器側に設置された熱シールドを前記冷却源で冷却された冷媒で最初に冷却し、
   これにより温度上昇した前記冷媒を、前記冷却源における前記向流熱交換器の低温源として活用して、前記向流熱交換器で対向する冷媒との間で熱交換を行い、
   これによって温度上昇した前記冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドを冷却し、
   前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドとの熱交換により温度上昇した冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、前記真空容器側に設置された熱シールドを冷却することを特徴とする極低温格納容器冷却システムの運用方法。
10. 請求項６に記載の極低温格納容器冷却システムの運用方法であって、
    前記極低温格納容器を構成する前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、前記貯蔵容器側に設置された熱シールドを前記冷却源で冷却された冷媒で最初に冷却し、
    これにより温度上昇した前記冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドを冷却し、
    前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドとの熱交換により温度上昇した冷媒を、前記冷却源における前記向流熱交換器の低温源として活用して、前記向流熱交換器で対向する冷媒との間で熱交換を行い、
    これにより温度上昇した前記冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、前記真空容器側に設置された熱シールドを冷却することを特徴とする極低温格納容器冷却システムの運用方法。
11. 冷媒を貯蔵し、被冷却物を格納する貯蔵容器と、前記貯蔵容器の周囲に設置され、前記貯蔵容器との間に真空槽を形成する真空容器と、前記真空槽に設置された熱シールドにより構成され、前記熱シールドが前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された部分と、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された部分を持ち、前記２枚設置された熱シールドのそれぞれと、前記１枚設置された熱シールドに固定された冷媒配管を持ち、前記冷媒配管の内部に、前記貯蔵容器に貯蔵された前記冷媒と異なる冷媒が流れ、その冷媒配管を流れる冷媒が前記２枚設置された熱シールドと前記１枚設置された熱シールドを冷却するように構成された極低温格納容器と、
    内部が真空となる第２の真空容器と、前記第２の真空容器に取り付けられた極低温冷凍機と、前記第２の真空容器内部に設置され、前記極低温冷凍機の寒冷発生部に取り付けられた少なくとも１台の熱交換部と、前記第２の真空容器内に設置された少なくとも１台の向流熱交換器と、内部に冷媒が流れる第２の冷媒配管を持ち、前記熱交換部と前記向流熱交換器が前記第２の冷媒配管により連結されている冷却源と、
    内部に冷媒が流れる第３の冷媒配管と、前記第３の冷媒配管との間で真空層を形成する第３の真空容器を有する輸送配管とを有し、
    前記極低温格納容器に設置された前記熱シールドに固定された冷媒配管と、前記冷却源に設置された第２の冷媒配管が、前記第３の冷媒配管により連結され、前記低温格納容器における前記真空容器と、前記冷却源における前記第２の真空容器が、前記第３の真空容器により連結されていることを特徴とする極低温格納容器冷却システム。
12. 冷媒を貯蔵し、被冷却物を格納する貯蔵容器と、前記貯蔵容器の周囲に設置され、前記貯蔵容器との間に真空槽を形成する真空容器と、前記真空槽に設置された熱シールドにより構成され、前記熱シールドが前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された部分と、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された部分を持ち、前記２枚設置された熱シールドのそれぞれと、前記１枚設置された熱シールドに固定された冷媒配管を持ち、前記冷媒配管の内部に、前記貯蔵容器に貯蔵された前記冷媒と異なる冷媒が流れ、その冷媒配管を流れる冷媒が前記２枚設置された熱シールドと前記１枚設置された熱シールドを冷却するように構成された極低温格納容器と、
    内部が真空となる第２の真空容器と、前記第２の真空容器に取り付けられた極低温冷凍機と、前記第２の真空容器内部に設置され、前記極低温冷凍機の寒冷発生部に取り付けられた少なくとも１台の熱交換部と、前記第２の真空容器内に設置された少なくとも１台の向流熱交換器と、内部に冷媒が流れる第２の冷媒配管を持ち、前記熱交換部と前記向流熱交換器が前記第２の冷媒配管により連結されている冷却源と、
    内部に冷媒が流れる第３の冷媒配管と、前記第３の冷媒配管との間で真空層を形成する第３の真空容器を有する輸送配管とを有し、
    前記極低温格納容器に設置された前記熱シールドに固定された冷媒配管と、前記冷却源に設置された第２の冷媒配管が、前記第３の冷媒配管により連結され、前記低温格納容器における前記真空容器と、前記冷却源における前記第２の真空容器が、前記第３の真空容器により連結されている極低温格納容器冷却システムの運用方法であって、
    前記低温格納容器における前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、前記貯蔵容器側に設置された熱シールドを前記冷却源で冷却された冷媒で最初に冷却し、
    これにより温度上昇した前記冷媒を、前記冷却源における前記向流熱交換器の低温源として活用して、前記向流熱交換器で対向する冷媒との間で熱交換を行い、
    これにより温度が上昇した前記冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドを冷却し、
    前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドとの熱交換により温度上昇した冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、真空容器側に設置された熱シールドを冷却するようにしたことを特徴とする極低温格納容器冷却システムの運用方法。
13. 冷媒を貯蔵し、被冷却物を格納する貯蔵容器と、前記貯蔵容器の周囲に設置され、前記貯蔵容器との間に真空槽を形成する真空容器と、前記真空槽に設置された熱シールドにより構成され、前記熱シールドが前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された部分と、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された部分を持ち、前記２枚設置された熱シールドのそれぞれと、前記１枚設置された熱シールドに固定された冷媒配管を持ち、前記冷媒配管の内部に、前記貯蔵容器に貯蔵された前記冷媒と異なる冷媒が流れ、その冷媒配管を流れる冷媒が前記２枚設置された熱シールドと前記１枚設置された熱シールドを冷却するように構成された極低温格納容器と、
    内部が真空となる第２の真空容器と、前記第２の真空容器に取り付けられた極低温冷凍機と、前記第２の真空容器内部に設置され、前記極低温冷凍機の寒冷発生部に取り付けられた少なくとも１台の熱交換部と、前記第２の真空容器内に設置された少なくとも１台の向流熱交換器と、内部に冷媒が流れる第２の冷媒配管を持ち、前記熱交換部と前記向流熱交換器が前記第２の冷媒配管により連結されている冷却源と、
    内部に冷媒が流れる第３の冷媒配管と、前記第３の冷媒配管との間で真空層を形成する第３の真空容器を有する輸送配管とを有し、
    前記極低温格納容器に設置された前記熱シールドに固定された冷媒配管と、前記冷却源に設置された第２の冷媒配管が、前記第３の冷媒配管により連結され、前記低温格納容器における前記真空容器と、前記冷却源における前記第２の真空容器が、前記第３の真空容器により連結されている極低温格納容器冷却システムの運用方法であって、
    前記極低温格納容器における前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、貯蔵容器側に設置された熱シールドを前記冷却源で冷却された冷媒で最初に冷却し、
    これにより温度上昇した前記冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に１枚設置された前記熱シールドを冷却し、
    これにより温度上昇した前記冷媒を、前記冷却源における前記向流熱交換器の低温源として活用して、前記向流熱交換器で対向する冷媒との間で熱交換を行い、
    これにより温度が上昇した前記冷媒で、前記貯蔵容器と前記真空容器との間に２枚設置された前記熱シールドのうち、真空容器側に設置された熱シールドを冷却するようにしたことを特徴とする極低温格納容器冷却システムの運用方法。

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