| 【発明の名称】 |
低温機器 |
| 【発明者】 |
【氏名】渋谷 和幸
【氏名】林 征治
【氏名】伊藤 聡
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| 【要約】 |
【課題】機器に対し1 つのみの搭載冷凍機であっても、冷凍能力を低下させずに、傾斜角度を2 通り以上に切り換えて運転が可能な低温機器を提供する。
【解決手段】機器に対し1 個の冷凍機を搭載し、かつ、機器の仕様傾斜角度を2 通り以上に切り換えて定常運転を行う低温機器であって、鉛直下方向にシリンダヘッドを配置した際に冷凍能力が最大となる冷凍機を搭載するとともに、鉛直上方向の右手を正の角度、左手を負の角度とし、低温機器の仕様傾斜角度の内の2 つを、鉛直上方向に対する角度αおよびβとし、かつαおよびβが、−90°(度) ≦α≦90°、−90°≦β≦90°の範囲である場合に、前記冷凍機の低温機器への搭載角度を、鉛直方向に対し、略＋ (α−β)/2 °または略− (α−β)/2 °とすることである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 機器に対し1 個の冷凍機を搭載し、かつ、機器の仕様傾斜角度を2 通り以上に切り換えて定常運転を行う低温機器であって、鉛直下方向にシリンダヘッドを配置した際に冷凍能力が最大となる冷凍機を搭載するとともに、鉛直上方向の右手を正の角度、左手を負の角度とし、低温機器の仕様傾斜角度の内の2 つを、鉛直上方向に対する角度αおよびβとし、かつαおよびβが、−90° (度) ≦α≦90°、−90°≦β≦90°の範囲である場合に、前記冷凍機の低温機器への搭載角度を、鉛直方向に対し、略＋ (α−β)/2 °または略− (α−β)/2 °とすることを特徴とする低温機器。
【請求項２】 前記αおよびβが、鉛直上方向に対し右回りの角度である請求項１に記載の低温機器。
【請求項３】 前記αとβとがα＜βの場合、冷凍機の低温機器への搭載角度を、前記仕様傾斜角度がαの場合には略＋ (α−β)/2 °、前記仕様傾斜角度がβの場合には略−( α−β)/2 とする請求項１または２に記載の低温機器。
【請求項４】 前記冷凍機が4K冷凍機である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の低温機器。
【請求項５】 前記低温機器が超電導マグネット或いはクライオポンプである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の低温機器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導マグネットやクライオポンプなど、冷凍機を用いて運転を行う低温機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般的に、低温機器としての超電導マグネットやクライオポンプは、NMR(核磁気共鳴) 分光分析装置や各種物性測定装置分野、或いは超電導リニアモーターカーなどの超電導マグネット利用分野、更には半導体製造装置などの超高真空利用分野に用いられる。
【０００３】そして、これら低温機器には、超電導マグネットなどの冷却に用い、単体でヘリウム蒸発量をゼロにできる冷凍能力を有する4KGM式などの冷凍機 (以下、単に4K冷凍機と言う) が搭載され、機器内を4K程度の極低温に保持する。この4K冷凍機は、鉛直下方向にシリンダおよびシリンダヘッドを配置した際に冷凍能力が最大となるよう設計され、低温機器に対して、鉛直下方向に搭載および固定されて使用される。
【０００４】一方、例えば、4K冷凍機搭載の無冷媒型超電導マグネットシステムにおいては、マグネット (クライオスタット) 自体を、鉛直方向に対して平行 (縦型) と垂直 (横型) の両方の角度 (2 方向) に切り換えて運転する場合がある。
【０００５】このように、低温機器自体の傾斜角度を変えて運転できるのは、これら低温機器が、冷媒として液体ヘリウムを用いない、冷凍機搭載の無冷媒型であるためである。即ち、無冷媒型の超電導マグネットやクライオポンプステムにおいては、液体ヘリウムを冷媒として用いた従来のタイプのように、使用乃至運転状態における低温機器の傾き (水平度) を液体ヘリウムの液面から考慮する必要がなく、使用乃至運転状態における低温機器の傾きを、用途や必要性に応じて適宜変更可能 (自由な設置姿勢が選択可能) である。
【０００６】このため、磁場を印加してのプロセスにあっては、途中で処理物に対する磁場印加方向を変更できる (磁場方向の2 方向切り換え) など、これまでの冷媒型低温機器では不可能であったプロセスが可能となる。したがって、経済効果なども含めて、機器の定常運転の傾きを可変とした冷凍機搭載の無冷媒型低温機器に対する期待は大きい。
【０００７】しかし、このように機器全体の傾斜角度 (仕様傾斜角度) を2 通り以上に切り換えて定常運転を行う低温機器の場合、従来では、この2 通りの定常運転に対応して、一つの機器に対し、各々搭載角度を変えた2 台の冷凍機を必要としていた。したがって、この分だけ機器のコストアップや構造の複雑さや大型化につながっていた。
【０００８】この理由は、冷凍機の冷凍能力が重力方向に対する角度により増減するからである。また、冷凍機は低温機器内の被冷却物に対して、可能な限り熱的に良好な接触を得ることが重要となるが、冷凍機の仕様傾斜角度が変化した場合、この熱的に良好な接触を得ることが困難となるからである。
【０００９】例えば、低温機器を水平から鉛直方向に傾けて使用する場合、低温機器に固定されている冷凍機の方向は鉛直方向から水平方向となる。前記した通り、4K冷凍機の冷凍能力は鉛直方向で最大となっているため、冷凍機の搭載角度が水平方向となることにより、重力方向に対する角度が変わり、重力の影響により冷凍能力が低下および不足し、極端な場合には機器内を設定極低温に維持できなくなる。したがって、一つの機器に対し1 個の冷凍機を搭載し、かつ、機器全体の設置角度を2 通りに切り換えて定常運転を行おうとする場合、冷凍機の冷凍能力が最大となる角度を、当初の取り付け角度或いは定常運転の際の一つの角度と設定しても、いずれの場合も、定常運転により、冷凍機の運転角度を変えた場合には、必然的に冷凍機の冷凍能力が低下することになる。
【００１０】このため、冷凍機の低温機器に対する搭載角度を可変として、低温機器を水平から鉛直方向に傾けて使用する場合にも、搭載する冷凍機の取り付け角度を、冷凍能力が最大となる鉛直方向に維持する方法が考えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】この冷凍機の低温機器に対する搭載角度を変えることは、必然的に低温機器内の被冷却物に対する冷凍機の角度を変化させることにつながり、前記熱的に良好な両者の接触を保つためには、低温機器内 (低温部分) での熱的接触部分の可動機構を必要とする。
【００１２】しかしながら、この可動機構を、冷凍機と低温機器内の被冷却物との熱伝達効率を低下させずに設けること自体が困難であり、また、通常機器のコンパクト化のために冷凍能力が制約されている冷凍機への負荷や、これに伴い同じ熱伝達効率を4Kなどの極低温領域で確実に実現することの困難さを考慮すると、現実的な解決方法とはならない。
【００１３】したがって、本発明は、機器に対し一つのみの搭載冷凍機であっても、冷凍能力を低下させずに、機器の仕様傾斜角度を2 通り以上に切り換えて運転が可能な低温機器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】この目的のための本発明の要旨は、機器に対し1 個の冷凍機を搭載し、かつ、機器の仕様傾斜角度を2 通り以上に切り換えて定常運転を行う低温機器であって、鉛直下方向にシリンダヘッドを配置した際に冷凍能力が最大となる冷凍機を搭載するとともに、鉛直上方向の右手を正の角度、左手を負の角度とし、低温機器の仕様傾斜角度の内の2 つを、鉛直方向に対する角度αおよびβとし、該仕様傾斜角度αおよびβが、−90° (度) ≦α≦90°、−90°≦β≦90°の範囲である場合に、前記冷凍機の低温機器への搭載角度を、鉛直方向に対し、略＋ (α−β)/2 °または略− (α−β)/2 °とすることである。
【００１５】本発明者らは、前記要旨とすることにより、鉛直下方向にシリンダヘッドを配置した際の最大の冷凍能力よりは低下するものの、低温機器の2 つ以上の傾斜角度の各々の定常運転角度に対し、一つの冷凍機の、各々の傾斜角度での冷凍能力を最大にできることを知見した。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明を更に図を用いて説明する。図1 は、低温機器2(例えばクライオスタット) の2 通りの仕様傾斜角度と、低温機器2 に搭載する冷凍機1 の搭載角度との関係を示す説明図である。図1 において、冷凍機1 を搭載する低温機器2 の2 通りの仕様傾斜角度αと、βとは、低温機器2 の定常 (使用頻度の高い) 運転角度であり、図1 では、鉛直方向に対し (鉛直上方からの) 角度α° (度) と、β°の2 通りの場合を示している。
【００１７】この仕様傾斜角度αおよびβは、超電導マグネットやクライオポンプでは、通常、−90°≦α≦90°、−90°≦β≦90°の範囲で用いられる。なお、図1 では鉛直上方向の右手を正の角度、左手を負の角度とし、鉛直上方に対し左回りの角度をα、右回りの角度をβとしているが、αとβとの鉛直上方に対する右左に制約はなく、αとβとが共に右回りの角度であっても良い。
【００１８】そして、αとβとが共に右回りの角度であり、αとβとがα＜βの場合、冷凍機の低温機器への搭載角度を、前記仕様傾斜角度がαの場合には略＋ (α−β)/2 °、前記仕様傾斜角度がβの場合には略−( α−β)/2 とすることが、各々の仕様傾斜角度での冷凍機の冷凍能力を最大とすることができ好ましい。
【００１９】したがって、冷凍機の搭載角度を、この2 つの搭載角度以外の角度から選択した場合には、前記従来技術と同じことになり、必然的に冷凍機の冷凍能力が低下することになる。
【００２０】なお、前記本発明の冷凍機の搭載角度の規定について、略＋ (α−β)/2 °および略−( α−β)/2 とするのは、鉛直方向に対し、厳密に( α−β)/2 °とせずとも、冷凍機の各々の傾斜角度での冷凍能力の90% 以上を確保できれば、冷凍機の冷凍能力の著しい低下はないので、多少の角度のズレ、例えば±10% 以内、好ましくは± 5% 以内での角度のズレは許容される。
【００２１】更に、低温機器の仕様傾斜角度は、低温機器の通常乃至定常運転時の使用傾斜角度の意味であって、低温機器では、基本的には、2 通りの通常乃至定常運転時の仕様傾斜角度が要求される。しかし、本発明においては、2 通りの仕様傾斜角度の場合だけに限定しない。即ち、2 通り以上の低温機器の仕様傾斜角度がある場合、冷凍機の搭載角度は、最も使用頻度の多い2 通りの仕様傾斜角度を選択するか、または、鉛直上方向に対する傾斜角度のより大きい2 通りの仕様傾斜角度を選択すれば、2 通りの仕様傾斜角度の場合よりは劣るものの、冷凍機の冷凍能力の低下を小さく抑制できる。
【００２２】
【実施例１】図2 にクライオスタットの概略を示す通り、4K冷凍機1 をテスト用クライオスタット2 に搭載して、2 つの仕様傾斜角度 (定常運転角度) で運転し、クライオスタット2 中のセカンドステージ4 (3はファーストステージ) の到達温度を比較した。クライオスタット2 の2 つの仕様傾斜角度αおよびβを、鉛直上方向に対し右回りの角度でα=40 °とβ=60 °を設定した。この場合、搭載する4K冷凍機1 の搭載角度は、仕様傾斜角度がαの場合には略＋ (α−β)/2 °、仕様傾斜角度がβの場合には略−( α−β)/2 とする関係から、α=40 °に対して−10°(鉛直上方より左回り) 、β=60 °に対して＋10°( 鉛直上方より右回り) とし、マグネット (クライオスタット) の軸に対しては＋50°の角度で搭載するものとした。4K冷凍機1 の諸元を表1 に示す。
【００２３】なお、セカンドステージ4 の到達温度はCGR 抵抗温度計で測定した。そして、運転は、クライオスタット2 をターボ分子ポンプ( 図示せず) を用いて、2.0 ×10-4Torrまで室温にて真空排気した後、4K冷凍機1 の運転を開始するようにした。そして、4K冷凍機1 の運転開始後、約8 時間でセカンドステージ4 は4K近傍に到達した。この時点でのセカンドステージ4 の到達真空度は8.0 ×10-7Torrであった。更に、セカンドステージ4 の4K近傍到達から、更に5 時間後の到達温度をクライオスタット2 の2 つの仕様傾斜角度 (α=40 °、β=60 °) について測定した。
【００２４】その結果、α=40 °の場合、セカンドステージ4 の最低到達温度は3.96K であり、β=60 °の場合も最低到達温度は3.96K であった。したがって、本発明によって、クライオスタット2 の2 つの仕様傾斜角度( α=40 °、β=60 °) によっても、冷凍機の性能が十分発揮されることが分かる。
【００２５】比較のために、冷凍機の搭載角度が水平方向となる角度 (クライオスタット2の鉛直上方に対する仕様傾斜角度が40°) でクライオスタット2 を運転した場合、セカンドステージ4 の最低到達温度は、4.51K であった。この事実から冷凍機が水平状態では4K冷凍機の能力が十分発揮されないことが分かり、更に、本発明により、冷凍機が水平状態でも、冷凍性能の低下が抑制されていることが分かる。
【００２６】更に、クライオスタット2 の2 つの仕様傾斜角度 (α=40 °、β=60 °) に加えて、もう1 つの仕様傾斜角度 (γ=80 °) が加わった場合を、前記例と同じ運転条件で試験した。なお、4K冷凍機1 の搭載角度は前記例と同じとした。この場合、セカンドステージ4 の仕様傾斜角度 (γ=80 °) の最低到達温度は4.05K であった。したがって、この事実から、前記α°、β°という2 通りの低温機器の仕様傾斜角度に加えて、2 通り以上の低温機器の仕様傾斜角度となった場合でも、冷凍機の冷凍能力の低下を小さく抑制できることが分かる。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【実施例２】図3 に示す通り、実施例１と同じ表1 の諸元の4K冷凍機5 を、NbTi合金系超電導マグネット7 とともに、テスト用クライオスタット6 に搭載して、2 つの仕様傾斜角度 (定常運転角度) に対するセカンドステージの到達温度を比較した。クライオスタット6 の2 つの仕様傾斜角度として、マグネットのボアが鉛直方向(α=0°、図3(b)) と水平方向 (β=90 °図3(c)) の2 通りに設定した。この場合、搭載する4K冷凍機1 の搭載角度は、クライオスタット6 のいずれの仕様傾斜角度に対しても、( α−β)/2 、即ち45°と−45°とした。
【００２９】図4 に、マグネットのボアを鉛直方向( α=0°、図3(b)) に設置して定常運転した場合の冷却の様子（超電導マグネットの冷却曲線）をファーストステージおよびセカンドステージの両ステージについて示す (□印がファーストステージ、○印がセカンドステージ) 。図4 に示す通り、4K冷凍機の運転開始後、およそ21時間にてセカンドステージの冷却が終了し、マグネット励磁可能な状態となった。この後、5 時間経過した時点でのマグネット各部 (図3 のA 、B 、C 、D ) の温度を測定した。各部の到達温度測定後、10A/min の励磁速度でマグネット各部を励磁して、クエンチ時の最大発生磁場を測定した。また、マグネットのボアが水平方向 (β=90 °図3(c)) の定常運転の場合についても、図3(b)と全く同様の冷却条件で到達温度とクエンチ時の最大発生磁場を測定した。なお、電流リードにはBi-2223 系の酸化物超電導体の中空バルクを用いた。これらの結果を表2 に示す。
【００３０】また、比較のために、前記クライオスタット6 の2 つの仕様傾斜角度に対し、搭載する4K冷凍機5 の搭載角度が (α−β)/2 となる関係から外れる運転角度で運転した例、即ち、4K冷凍機の搭載角度を0 °( 鉛直方向下方、図3(d)、αが45°) および−90°( 水平方向、図3(e)、βが45°) となる運転角度とした例の、マグネット各部( 図3 のA 、B 、C 、D ) の到達温度と、最大発生磁場を、前記実施例と同様に測定した。
【００３１】この表2 に示す通り、マグネットのボア (クライオスタット6)が垂直、或いは水平の仕様傾斜角度運転の場合( 図3(b)、(c))のいずれも、マグネット各部の到達温度とクエンチ時の最大発生磁場は殆ど同じで、4K冷凍機の搭載角度を、鉛直方向上方に対する角度を45°とした発明の効果が立証されている。
【００３２】また、4K冷凍機の搭載角度が鉛直方向下方となるように運転した場合 (図3(d)) に冷凍機効率が最大となり、また、4K冷凍機の搭載角度が水平方向となるように運転した場合 (図3(e)) に冷凍効率が最小となっている。
【００３３】即ち、4K冷凍機の搭載角度が鉛直方向下方となす角度が、0 °、45°、90°の順に最大発生磁場が減少しており、冷凍能力が減少していることが確認できる。特に、4K冷凍機の搭載角度が水平となるように設置した場合( 図3(e)) には、最大発生磁場が4.7Tと低い値にとどまり、マグネットの性能が十分発揮されないことが確認された。したがって、搭載する4K冷凍機1 の搭載角度が (α−β)/2 となる関係から外れる運転角度で運転した場合には、4K冷凍機の搭載角度が鉛直方向下方となるように運転した場合 (図3(d)) 以外には、図3(e)のように冷凍効率が著しく低下することが分かる。
【００３４】
【表２】
【００３５】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明により、1 個のみの搭載冷凍機であっても、冷凍能力を低下させずに、機器の仕様傾斜角度を2 通り以上に切り換えて運転が可能な低温機器を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１１９９
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
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| 【出願日】 |
平成１０年１２月４日（１９９８．１２．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０５６９２
【弁理士】
【氏名又は名称】明田 莞
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１７１１１２（Ｐ２０００−１７１１１２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年６月２３日（２０００．６．２３） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３４５５０２ |
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