極低温格納容器及び極低温装置
【課題】冷凍機の運転が停止した際にも長時間にわたって極低温を保持することができる極低温格納容器を提供する。
【解決手段】極低温格納容器１０Ａは、冷凍機２５によって冷却される固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽１２と、液体冷媒を貯留し固体冷媒槽１２の外周を一定の間隔を設けて囲むように配置される液体冷媒槽２１とを真空容器１１の内部に収容された構造を有し、さらに、冷凍機２５が停止した際に固体冷媒の融解によって固体冷媒槽１２で生じる液体冷媒が液体冷媒槽２１へ自然に流れ込み、真空容器１１からの輻射侵入熱が液体冷媒槽２１での液体冷媒の蒸発潜熱として消費されるように構成されている。
【解決手段】極低温格納容器１０Ａは、冷凍機２５によって冷却される固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽１２と、液体冷媒を貯留し固体冷媒槽１２の外周を一定の間隔を設けて囲むように配置される液体冷媒槽２１とを真空容器１１の内部に収容された構造を有し、さらに、冷凍機２５が停止した際に固体冷媒の融解によって固体冷媒槽１２で生じる液体冷媒が液体冷媒槽２１へ自然に流れ込み、真空容器１１からの輻射侵入熱が液体冷媒槽２１での液体冷媒の蒸発潜熱として消費されるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の冷媒をその融点以下に保持して格納する極低温格納容器及びこの極低温格納容器を備えた極低温装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、超電導現象を利用した装置として、例えば、超電導磁石（コイル、バルク）を用いた核磁気共鳴分析（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）装置や磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）装置、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を用いた微弱磁気検査装置等が開発されている。これらの装置に用いられる超電導磁石やＳＱＵＩＤを動作させるためには、その動作温度である極低温を実現するための冷却構造物が必要とされる。
【０００３】
そのため、例えば、高温超電導磁石の冷却構造物として、冷凍機によって高温超電導磁石を直接冷却するとともに、冷凍機による冷熱を利用して固体冷媒を生成させる冷却構造物が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この冷却構造物では、生成した固体冷媒を高温超電導磁石の周囲に配置し、固体冷媒をヒートシンクとして利用することにより、冷凍機の運転が停電等により停止したり、冷凍機の運転による電磁気の発生や振動を防止するために意図的に冷凍機の運転を停止したりした際にも、高温超電導磁石の温度上昇が抑制される構造となっている。
【特許文献１】特開２００２−２０８５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された冷却構造物では、冷却構造物の外壁と冷却構造物内の極低温部との温度差が大きいため、冷却構造物からその内部の極低温部への輻射侵入熱が大きい。そのため、冷凍機の運転停止時には、この輻射侵入熱によって固体冷媒の融解速度が速くなる。また、運転を停止した冷凍機から直接に熱伝導により超電導磁石の温度が上昇しやすい。そのため、超電導磁石を超電導臨界温度以下の極低温を保持することが可能な時間が短くなる。こうして、この冷却構造物を備えた超電導装置では、冷凍機の運転停止時に、連続して使用が可能な時間が短くなってしまう。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、冷凍機の運転が停止した際にも長時間にわたって極低温を保持することができる冷却構造物としての極低温格納容器及びこの極低温格納容器を備えた極低温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】
【０００６】
本発明に係る極低温格納容器は、冷凍機によって冷却される固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽と、前記固体冷媒槽の外周を所定の間隔を設けて囲むように配置される液体冷媒槽とを真空容器の内部に収容すると共に、前記冷凍機が停止した際に固体冷媒の融解によって前記固体冷媒槽で生じる液体冷媒が前記液体冷媒槽へ流れ込んで、前記真空容器からの輻射侵入熱が前記液体冷媒槽での液体冷媒の蒸発潜熱として消費されるように構成されており、こうして、前記液体冷媒槽の温度上昇を抑制し、ひいては前記固体冷媒槽への侵入熱を小さくして固体冷媒の保持時間を長時間化させるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、冷凍機の運転が停止した際にも、長時間にわたって極低温を保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
《第１実施形態》
図１に本発明の第１実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器１０Ａは、概略、内部が真空に保持される真空容器１１と、真空容器１１の内部に収容され、固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽１２と、冷熱を発生させる冷凍機２５と、冷凍機２５で発生させた冷熱を固体冷媒槽１２に熱伝導するための第１熱伝導部材として用いられる冷凍ステージ２６と、冷凍ステージ２６からの熱伝導によって固体冷媒槽１２に貯蔵された固体冷媒（又は液体冷媒）を冷却する第２熱伝導部材として用いられる上側熱伝導部材１５と、液体冷媒を貯留するために固体冷媒槽１２の外周（側面）と真空容器１１の内周との間に形成された空間に固体冷媒槽１２の外周を一定の間隔を設けて囲むように配設された二重円筒状の液体冷媒槽２１とを備えており、被冷却体５が固体冷媒槽１２の底面板１６の外側（下面側）に取り付けられた構造を有している。
【０００９】
［被冷却体５とその周辺構造］
被冷却体５は、例えば、超電導磁石のように磁気（磁場）を発生し、又は、ＳＱＵＩＤのように磁気を検出する磁気デバイスである。極低温格納容器１０Ａの構成部品は、被冷却体５が磁気デバイスであることを前提としてその特性が発揮されるように、選定されているものとする。
【００１０】
被冷却体５は熱伝導部材７によって被覆されている。熱伝導部材７には、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導率の大きい非磁性金属材料が用いられる。被冷却体５を熱伝導率の大きい熱伝導部材７で被覆することにより、被冷却体５の壁面温度（外周温度）を均一にすることができ、これにより被冷却体５の磁気的特性が安定する。また、ＣｕやＡｌ等の熱放射率の低い材料を用いることで、被冷却体５の周囲からの被冷却体５への侵入熱を小さく抑えることができる。
【００１１】
なお、ここでは、被冷却体５が固体冷媒槽１２に対して物理的に接触するように固体冷媒槽１２に取り付けられている形態としているが、被冷却体５は、固体冷媒槽１２に対して熱的に接触していればよく、必ずしも物理的に接触していなくともよい。「熱的に接触している」とは、被冷却体５と固体冷媒槽１２との間で熱の伝導が可能な状態をいう。
【００１２】
［真空容器１１とその周辺構造］
真空容器１１の底面板は被冷却体５と対向しており、被冷却体５が磁気を与え又は磁気を検出する対象物は、真空容器１１の底面板を挟んで被冷却体５の位置とは反対側の真空容器１１外側（下面側）に配置されるため、真空容器１１は、被冷却体５と前記対象物との間で磁気（磁場）に影響を与えない非磁性材料で構成され、例えば、ステンレス等の金属材料や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Fiber Reinforced Plastics）等の非金属材料で構成されていることが好ましい。
【００１３】
真空容器１１には、真空容器１１内を真空引きして真空に保持するための配管と開閉バルブ（図示せず）が設けられている。真空容器１１の内側には断熱材１８が配置されている。図１では、断熱材１８を真空容器１１の内側上部にのみ図示しているが、断熱材１８は、真空容器１１の内周面全体に設けられている。断熱材１８は、真空容器１１の底面板と被冷却体５との間にも、配置することができる。断熱材１８としては、Ａｌ蒸着したフィルムと断熱スペーサとを交互に積層した積層断熱材が好適に用いられる。
【００１４】
［冷凍機２５とその周辺構造］
真空容器１１の上面板には穴１１ａが形成されており、冷凍機２５は、この穴１１ａの上側において真空容器１１の上面板に固定されている。冷凍機２５としては、スターリング型冷凍機やパルス管型冷凍機、ギフォード・マクマホン型冷凍機等の各種の極低温冷凍機を用いることができ、その選定にあたっては、その冷却性能と固体冷媒（液体冷媒）の凝固点（融点）を考慮すればよい。
【００１５】
冷凍機２５は、下方向（固体冷媒槽１２側）に突出する冷凍ステージ２６を有している。冷凍機２５で発生させた冷熱を真空容器１１に熱伝導させることなく固体冷媒槽１２へ熱伝導することができるように、冷凍ステージ２６は、穴１１ａを通って真空容器１１内に延びており、その下端面が固体冷媒槽１２の上面に取り付けられている。ここでも、冷凍ステージ２６は固体冷媒槽１２と熱的に接触していればよい。
【００１６】
［固体冷媒槽１２とその周辺構造］
固体冷媒槽１２の構成材料には、ステンレスやＣｕ、Ａｌ等の金属材料、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ；Grass Fiber Reinforced Plastics）等の非金属材料が用いられる。なお、被冷却体５がＳＱＵＩＤである場合には、被冷却体５が取り付けられている固体冷媒槽１２の底面板１６で渦電流が発生すると、検出精度が低下することから、絶縁材料であるＧＦＲＰが好適に用いられる。
【００１７】
固体冷媒槽１２に貯蔵される固体冷媒としては、水素（Ｈ２）、ネオン（Ｎｅ）、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）等が用いられる。固体冷媒（液体冷媒は同じ物質）の選択は、固体冷媒のコストや凝固点（融点）等に基づいて決定することができる。固体冷媒槽１２へは、冷媒配管３３を通して外部から液体冷媒を注入することができるようになっている。
【００１８】
固体冷媒槽１２に貯蔵される固体冷媒は、固体冷媒槽１２に注入された液体冷媒を冷凍機２５で発生させた冷熱を利用して凝固させたものである。したがって、冷凍機２５が正常に運転されている状態では、固体冷媒槽１２内は、注入された液体冷媒の当初の液面近傍から下側が固体冷媒で充填された形態となっている。なお、図１には、後記するように、一旦、固体冷媒槽１２全体に貯蔵された固体冷媒が、冷凍機２５の運転が停止して真空容器１１等からの侵入熱によって一部溶解し、さらに液体冷媒槽２１から一定量の液体冷媒が蒸発した状態が示されている。
【００１９】
冷媒配管３３には、逆止弁３４が取り付けられている。逆止弁３４は、液体冷媒を固体冷媒槽１２に注入する際には、取り外すことができる。逆止弁３４は、固体冷媒槽１２内の圧力が外気圧に対して正圧のときに開き、逆の場合には閉じた状態に維持される。つまり、逆止弁３４は、固体冷媒槽１２内の温度が低くなって圧力が下がったときに閉じるため、固体冷媒槽１２の内部から真空容器１１の外部へ放出される冷媒の蒸発ガスは通すが、真空容器１１の外部から固体冷媒槽１２の内部への空気の侵入を阻止する。こうして、室温の空気による固体冷媒槽１２内への熱の侵入を防止することができる。
【００２０】
被冷却体５は固体冷媒槽１２の底面板１６の外側に取り付けられているため、この底面板１６は、被冷却体５の冷却効率を高める観点から、熱伝導性に優れた材料で構成されていることが好ましい。
【００２１】
固体冷媒槽１２の上面板であるフランジ１３には、固体冷媒槽１２の下方に伸びるように上側熱伝導部材１５が取り付けられている。フランジ１３を介して冷凍ステージ２６から上側熱伝導部材１５に伝えられた冷熱により、固体冷媒槽１２内に固体冷媒が保持される。フランジ１３は、冷凍機２５の運転時に冷凍ステージ２６とフランジ１３の下部との温度差を小さくするために、熱伝導率の大きいＣｕやＡｌ等の金属で構成されることが好ましい。上側熱伝導部材１５にも、また、熱伝導率の大きいＣｕやＡｌ等の金属が用いられる。フランジ１３と上側熱伝導部材１５とは一体であってもよい。
【００２２】
固体冷媒槽１２の底面板１６には、上側熱伝導部材１５の周囲を所定の隙間を設けて囲むように、筒状の形状を有する下側熱伝導部材１７が立設されている。下側熱伝導部材１７は、その内側と外側との間で液体冷媒が通過することができるように、多数の図示しない開口部（孔部）を有している。下側熱伝導部材１７は、上側熱伝導部材１５と同様に、熱伝導率の大きいＣｕやＡｌ等の金属で構成される。
【００２３】
下側熱伝導部材１７を配置することにより、冷凍機２５を運転させた際の液体冷媒の凝固時間を短縮することができる。すなわち、固体冷媒槽１２に液体冷媒が貯蔵されている状態で冷凍機２５の運転を開始すると、上側熱伝導部材１５の周囲から液体冷媒の凝固が始まり、生成した固体冷媒が下側熱伝導部材１７と接触する。下側熱伝導部材１７の熱伝導率は固体冷媒の熱伝導率よりも大きいため、生成した固体冷媒から下側熱伝導部材１７の外周に速やかに冷熱が移動して下側熱伝導部材１７の外周から速やかに液体冷媒の凝固が始まる。
【００２４】
下側熱伝導部材１７を設けることは、固体冷媒槽１２の構成材料の熱伝導率が、上側熱伝導部材１５及び下側熱伝導部材１７の構成材料の熱伝導率よりも小さい場合に、特に有効である。なお、下側熱伝導部材１７の外周に、下側熱伝導部材１７の立設方向と直交するように、固体冷媒よりも熱伝導率が大きい金属で構成されるフィンを設けることで、さらに液体冷媒の凝固時間を短縮させることができる。
【００２５】
［液体冷媒槽２１とその周辺構造］
液体冷媒槽２１は円環状容器であり、液体冷媒槽２１には液体冷媒が貯留される。被冷却体５は磁気デバイスであるため、液体冷媒槽２１を構成する材料は、ステンレスやＡｌ，Ｃｕ等の非磁性金属材料や、ＦＲＰ等の非磁性・非金属材料が用いられる。
【００２６】
液体冷媒槽２１へは、冷媒配管３１を通して外部から液体冷媒を注入することができるようになっている。冷媒配管３１には逆止弁３２が取り付けられており、逆止弁３２は、液体冷媒を液体冷媒槽２１に注入する際には、取り外すことができる。逆止弁３２は、逆止弁３４と同じ機能を有する。すなわち、逆止弁３２は、液体冷媒槽２１内の圧力が外気圧に対して正圧のときに開き、逆の場合には閉じた状態で維持され、液体冷媒槽１２の内部から真空容器１１の外部へ放出される冷媒の蒸発ガスを通すが、真空容器１１の外部から液体冷媒槽２１の内部への空気の侵入を阻止する。こうして、室温の空気による液体冷媒槽２１内への熱の侵入が防止される。
【００２７】
液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２とは、これらの下端近傍に設けられた連絡配管２２によって連通しており、連絡配管２２を通して液体冷媒が移動可能となっている。なお、連絡配管２２は、液体冷媒槽２１を固体冷媒槽１２に支持させる役割をも担っている。液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２の両方が空の状態で、液体冷媒槽２１に液体冷媒を注入すれば、液体冷媒は連絡配管２２を通して固体冷媒槽１２へ移動し、液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２とでは、液体冷媒の液面の高さが同じに維持される。固体冷媒槽１２へ液体冷媒を注入した場合も同様である。
【００２８】
連絡配管２２の材質として、熱伝導率の小さい材料（例えば、ステンレス、ＦＲＰ等）が好適に用いられる。これは、冷凍機２５の運転停止時には、真空容器１１は極低温格納容器１０Ａの使用環境（一般的に大気環境）の温度となっていることから、液体冷媒槽２１へは外部（真空容器１１）から輻射侵入熱が侵入するため、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への連絡配管２２を介した侵入熱を低減することが好ましいからである。図示はしないが、連絡配管２２を介した液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱を低減するために、連絡配管２２に絞りを入れることも有効である。
【００２９】
液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２の上端近傍にこれらを連結する支持体２３が設けられている。この支持体２３は、熱伝導率の高いＣｕやＡｌ等の金属で構成されており、固体冷媒槽１２側ではフランジ１３に接続されている。冷凍機２５の運転停止時には、室温の冷凍機２５からフランジ１３へ熱が侵入する。フランジ１３と固体冷媒とは上側熱伝導部材１５を介して熱的に接触するため、冷凍機２５からの侵入熱はフランジ１３から固体冷媒へと熱伝導するが、支持体２３をフランジ１３に接続することにより、冷凍機２５からの侵入熱の一部がフランジ１３から支持体２３を経由して液体冷媒槽２１へ伝えられるようになり、これにより、フランジ１３から上側熱伝導部材１５へ伝えられる侵入熱が低減され、固体冷媒の融解を抑制することができる。
【００３０】
なお、支持体２３を、フランジ１３に代えて冷凍ステージ２６に取り付けても、同様の効果が得られる。このように、極低温格納容器１０Ａでは、液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２との間には間隙が設けられ、液体冷媒槽２１は連絡配管２２及び支持体２３以外の部位で固体冷媒槽１２とは接していない構造とすることで、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱が小さく抑えられている。
【００３１】
［極低温格納容器１０Ａの使用形態］
次に、極低温格納容器１０Ａの使用形態について説明する。極低温格納容器１０Ａの最初の運転開始時には、固体冷媒槽１２と液体冷媒槽２１のいずれにも冷媒は貯蔵されていないため、例えば、冷媒配管３１を通して一定量の液体冷媒を液体冷媒槽２１に注入する。液体冷媒槽２１に注入された液体冷媒は、連絡配管２２を通じて固体冷媒槽１２へ流入し、固体冷媒槽１２内では下側熱伝導部材１７の開口部（図示せず）を通じて流通する。こうして、液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２における液体冷媒の液面の高さは同じとなる。なお、固体冷媒槽１２側の冷媒配管３３から液体冷媒を注入してもよい。この時点で、被冷却体５は液体冷媒から冷熱が熱伝導されることにより、液体冷媒の沸点近傍の温度に冷却される。
【００３２】
続いて、冷凍機２５を運転させる。これにより、冷凍機２５で発生した冷熱が熱伝導により冷凍ステージ２６へ伝えられ、さらにフランジ１３を介して上側熱伝導部材１５に伝えられ、上側熱伝導部材１５に接触した液体冷媒が凝固を始める。固体冷媒槽１２において実際に液体冷媒が凝固する形態は、固体冷媒槽１２の構成材料を含めた固体冷媒槽１２での冷熱の移動のしやすさと外部からの侵入熱の大きさ等に依存する。最終的に、冷凍機２５の運転により、固体冷媒槽１２に注入された液体冷媒を凝固させ、固体冷媒はその凝固点以下の所定温度で保持される。被冷却体５は固体冷媒の保持温度に向けて冷却され、所定温度で保持される。
【００３３】
なお、液体冷媒槽２１に貯蔵された液体冷媒が凝固して固体冷媒となるか否かは、冷凍機２５の冷凍能力や、支持体２３を通じて侵入する冷熱の大きさ、連絡配管２２を通じて固体冷媒槽１２内の固体冷媒から侵入する冷熱の大きさ、外部からの輻射侵入熱の大きさ等に依存する。液体冷媒槽２１に注入された液体冷媒は、凝固させてもよいし、凝固させなくともよい。ここでは、冷凍機２５の運転中は、固体冷媒槽１２内には固体冷媒が貯蔵され、液体冷媒槽２１には液体冷媒が貯留され、連絡配管２２内において、液体冷媒と固体冷媒とが共存しているものとする。
【００３４】
停電等により冷凍機２５への電力供給が停止すると、冷凍機２５は運転を停止する。このとき、液体冷媒槽２１が固体冷媒槽１２の外周を囲んだ構造となっているため、外部からの輻射侵入熱は、液体冷媒槽２１に貯留された液体冷媒の蒸発潜熱として消費され、これにより液体冷媒槽２１の温度上昇が抑制されて、固体冷媒槽１２への侵入熱が小さく抑えられる。こうして、固体冷媒槽１２に貯蔵されている固体冷媒の融解を抑制することができ、固体冷媒の保持時間を長時間化することができる。
【００３５】
また、冷凍機２５は室温環境下に配置されているため、冷凍機２５が固体冷媒槽１２への熱侵入源となり、冷凍機２５に接続されている冷凍ステージ２６、フランジ１３、上側熱伝導部材１５が熱侵入経路となる。そのため、固体冷媒において上側熱伝導部材１５に接触した部分から融解が始まる。連絡配管２２が固体冷媒によって閉塞されていない限り、固体冷媒槽１２で生成した液体冷媒は、連絡配管２２を通って液体冷媒槽２１へと流れ出し、液体冷媒槽２１において外部からの輻射侵入熱を蒸発潜熱として消費して蒸発する。こうして、液体冷媒槽２１の温度上昇が抑制されて、固体冷媒槽１２への侵入熱が小さく抑えられる効果が持続する。
【００３６】
このように極低温格納容器１０Ａでは、冷凍機２５の運転が停止しても、固体冷媒槽１２においては、長時間にわたって固体冷媒を保持することができ、その間は被冷却体５が所望の温度に保持されるので、連続使用が可能になる。
【００３７】
［極低温格納容器１０Ａにおける熱経路］
前記説明の通り、極低温格納容器１０Ａでは、冷凍機２５の運転が停止しても、固体冷媒槽１２に長時間にわたって固体冷媒を保持することができる。この効果について、図１〜３を参照して説明する。図２は従来の極低温格納容器の熱経路を示す模式図であり、図３は極低温格納容器１０Ａの熱経路を示す模式図である。
【００３８】
極低温格納容器１０Ａにおいて、冷凍機２５の運転が停止した際の外部から真空容器１１内部への侵入熱（侵入熱量）［Ｗ］は、図１に示されているように、『侵入熱［Ｗ］＝熱伝導侵入熱Ｑλ［Ｗ］+側面輻射侵入熱Ｑｒａｄ［Ｗ］+底面輻射侵入熱Ｑｒａｄ′［Ｗ］』となる。固体冷媒が固体窒素であり、液体冷媒が液体窒素であるとすると、凝固点〔＝６３Ｋ（融点と同じとする）〕以下にあった固体窒素の温度は凝固点まで上昇し、その後、融解して液体窒素となる。このときの融解速度は、下記式（１）で表される。ここで、『ｖｏｌ』は固体窒素の容積［ｍ３］、『ｈｓｌ』は固体窒素の融解潜熱［Ｊ／ｋｇ］、『ρ』は固体窒素の密度［ｋｇ／ｍ３］である。
【００３９】
【数１】
【００４０】
従来の極低温格納容器（例えば、背景技術の説明の際に取り上げた特許文献１に開示された冷却構造物）の熱経路では、図２に示されるように、侵入熱（Ｑλ+Ｑｒａｄ+Ｑｒａｄ′）は、固体窒素の融解に使用されるため、式（１）で表される融解速度で固体窒素は融解し続ける。
【００４１】
これに対して、本発明の第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａでは、固体窒素の融解により生成した液体窒素が連絡配管２２を通って固体冷媒槽１２から液体冷媒槽２１へ移動し、液体冷媒槽２１内において液体冷媒槽２１の周囲からの側面輻射侵入熱Ｑｒａｄを奪って、液体冷媒槽２１内で蒸発する。こうして、図３に示されるように、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への側面輻射侵入熱Ｑｒａｄが遮断され、固体冷媒槽１２内の固体窒素の融解速度が遅くなる。極低温格納容器１０Ａでの固体窒素の融解速度は上記式（２）で表され、このとき、長時間化される固体窒素の保持時間ｔ［ｓ］は上記式（３）で表される。さらに、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱Ｑｓｌ［Ｗ］は上記式（４）で表される。
【００４２】
なお、式（４）において、『Ａ』は断面積［ｍ３］、『λ』は熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、『ε１』は液体冷媒槽の構成部材の放射率［無次元］、『ε２』は固体冷媒槽の構成部材の放射率［無次元］、『Ｌ』は連絡配管２２の長さ［ｍ］、添え字の『ｐｉｐｅ』は連絡配管２２、『ＬＮ２』は液体窒素、『ｓｉｄｅ』は固体冷媒槽側面、『ｌ』は連絡配管、をそれぞれ示している。式（４）中の『７７』は液体窒素の沸点温度（７７Ｋ）を、『６３』は液体窒素の融点（６３Ｋ）を意味し、５．６７×１０−８は、ステファン−ボルツマン定数［Ｗ／（ｍ２・Ｋ４）］である。
【００４３】
式（３）に基づいて、極低温格納容器１０Ａについて、固体窒素の保持時間ｔを、固体窒素が１リットル、側面輻射侵入熱Ｑｒａｄが０．５Ｗ、底面輻射侵入熱Ｑｒａｄ′と熱伝導侵入熱Ｑλの合計が１Ｗであった場合について求めると、保持時間ｔは約２時間となる。つまり、極低温格納容器１０Ａでは、冷凍機２５の運転が停止しても、連続運転時間を約２時間引き延ばすことができることがわかる。なお、ここでの計算では、ｈｓｌ＝２５７５０［Ｊ／ｋｇ］、ρ＝９５０［ｋｇ／ｍ３］を使用した。
【００４４】
《第２実施形態》
図４に本発明の第２実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｂが、第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａと異なる点は、液体冷媒槽２１の内面にキャピラリ（毛細管）４１が取り付けられている点である。極低温格納容器１０Ｂの他の構成要素は、極低温格納容器１０Ａの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００４５】
キャピラリ４１は、例えば、ガラスで作られており、その一端が液体冷媒槽２１の底面近傍に位置するようにして、その長手方向が鉛直方向と平行となるように、液体冷媒槽２１の内面（内径側と外径側の両面）にほぼ隙間無く、取り付けられている。キャピラリ４１を配設するメリットは、液体冷媒槽２１がＦＲＰ等の熱伝導率の小さい材料で構成されている場合に顕著に得られる。
【００４６】
例えば、被冷却体５が超電導バルク磁石である場合、金属は磁場を遮蔽するため、液体冷媒槽２１が金属で形成されていると、超電導バルク磁石が発生する磁場の影響により液体冷媒槽２１に磁場勾配が生じるおそれがある。こうして液体冷媒槽２１に渦電流が発生すると、液体冷媒槽２１は発熱する。この発熱は、液体冷媒槽２１での液体冷媒の蒸発に用いられるため、外部からの侵入熱（特に側面輻射侵入熱Ｑｒａｄ）を遮断する能力を低下させる。
【００４７】
そこで、液体冷媒槽２１での渦電流の発生を回避するために、液体冷媒槽２１の構成材料として、ＦＲＰ等の非磁性絶縁材料を用いることが好ましいと考えられる。しかしながら、ＦＲＰは一般的な金属材料と比較して熱伝導率が小さい材料であるため、液体冷媒槽２１において液体冷媒に接している部分とそうでない部分との間に温度勾配が発生する。こうして液体冷媒槽２１に温度勾配が生じると、液体冷媒槽２１において液体冷媒に接していない部分は液体冷媒の沸点よりも高温となるため、この部分から固体冷媒槽１２への輻射侵入熱が大きくなる。
【００４８】
そこで、液体冷媒槽２１内面にキャピラリ４１を配置すると、キャピラリ４１の毛細管力により、液体冷媒の重量と表面張力とが釣り合うまで、液体冷媒がキャピラリ４１内を上昇する。キャピラリ４１を細くすることにより、液体冷媒の液面をより高い位置まで上昇させることができる。キャピラリ４１内で液体冷媒が吸い上げられることによって、液体冷媒槽２１の高さ方向において、液体冷媒に接している部分の面積が広くなる。こうして、液体冷媒槽２１において液体冷媒に接していない部分を少なくすることにより、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱を小さく抑えることができる。
【００４９】
このように、極低温格納容器１０Ｂでも、液体冷媒槽２１の温度上昇を抑制し、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２へ侵入熱を小さく抑えることができる。これにより、冷凍機２５の運転が停止した際にも、長時間にわたって固体冷媒槽１２において固体冷媒を保持することができる。
【００５０】
《第３実施形態》
図５に本発明の第３実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｃが、第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａと異なる点は、極低温格納容器１０Ａが具備する連絡配管２２に代えて、蛇行構造を有する蛇行配管４２を、固体冷媒槽１２と液体冷媒槽２１との間での液体冷媒の流通に用いるように構成した点である。極低温格納容器１０Ｃのその他の構成要素は、極低温格納容器１０Ａの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００５１】
蛇行配管４２を用いた場合、液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２の間の全長（配管距離）が、蛇行配管４２の一端から他端までの直線距離よりも長くなる。配管距離が長くなれば、液体冷媒（例えば、７７Ｋの液体窒素）の蒸発面から固体冷媒（例えば、６３Ｋの固体窒素）の表面までの伝熱距離が長くなる。液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への熱流束は伝熱距離に反比例するため、蛇行配管４２を用いることによって熱流速が小さくなり、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への熱伝導による侵入熱の大きさを小さくすることができる。
【００５２】
なお、蛇行配管４２の「蛇行」とは、一端と他端とを結ぶ線の長さが、これら２点を結ぶ直線距離（最短距離）よりも長くなっていることをいい、折り返しや旋回等、その形態に限定はない。
【００５３】
極低温格納容器１０Ｃによれば、蛇行配管４２に起因する液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱を小さく抑えることができ、これにより固体冷媒槽１２における固体冷媒の保持時間を長時間化することができる。
【００５４】
《第４実施形態》
図６に本発明の第４実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｄが、第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａと異なる点は、極低温格納容器１０Ａが具備する液体冷媒槽２１が、その下端部に環状のタンク部４３を備えている点である。極低温格納容器１０Ｄのその他の構成要素は、極低温格納容器１０Ａの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００５５】
タンク部４３は、固体冷媒槽１２の底面板１６の高さよりも下側に突出するように設けられている。ここでは、液体冷媒槽２１の下部に、その底面の面積が上面の面積よりも広くなるように鉛直方向の所定位置に段差を形成することで、タンク部４３を形成している。タンク部４３は、このような形状に限定されず、底面の面積が上面の面積よりも広くなるように、側壁面を傾斜させた断面略台形状のものであってもよい。
【００５６】
タンク部４３は、液体冷媒槽２１の温度を均一にするために液体冷媒槽２１を金属で構成した場合に設けられる。冷凍機２５の運転の停止時には、固体冷媒槽１２から液体冷媒槽２１に設けられたタンク部４３への液体冷媒の流入が促され、固体冷媒槽１２における液体冷媒の液面の高さが、タンク部４３を備えていない極低温格納容器１０Ａの場合よりも下がって、液体冷媒が上側熱伝導部材１５と接触しなくなる。これにより、固体冷媒槽１２において、上側熱伝導部材１５から液体冷媒への熱伝導による侵入熱が小さくなるため、固体冷媒の融解が抑制されて固体冷媒の保持時間を長時間化させることができる。
【００５７】
なお、タンク部４３を設けることで、液体冷媒槽２１の液面の高さは低くなるが、液体冷媒槽２１は金属で構成されているために、高さ方向での温度勾配は大きなものにはなりにくい。また、タンク部４３に貯留された多量の液体冷媒により、液体冷媒槽２１が液体冷媒の蒸発の際に外部からの輻射侵入熱を消費する機能が高められる。よって、固体冷媒槽１２への輻射侵入熱の増大は小さく抑えられる。
【００５８】
《第５実施形態》
図７（ａ）に本発明の第５実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を表した垂直断面図を示し、（ｂ）に水平断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｅが、第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａと異なる点は、極低温格納容器１０Ａが具備する輻射侵入熱遮断手段である円環状の液体冷媒槽２１に代えて、シールド板４５と有底筒状の液体冷媒槽４６とを有する輻射侵入熱遮断手段を備えている点である。極低温格納容器１０Ｅのその他の構成要素は、極低温格納容器１０Ａの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００５９】
［シールド板４５］
シールド板４５は、筒状の形状を有し、固体冷媒槽１２の外周と真空容器１１の内周との間に形成された空間に、固体冷媒槽１２の外周を一定の間隔を設けて囲むように配設されている。ここでは、シールド板４５は、固体冷媒槽１２に接続された液体冷媒槽４６に接続されることによって、一定位置で保持されている。シールド板４５は、外部からの輻射侵入熱を、液体冷媒槽４６へ熱伝導するために設けられる。そのため、シールド板４５は、好ましくはＡｌやＣｕ等の熱伝導率の大きな材料で構成される。
【００６０】
［液体冷媒槽４６］
液体冷媒槽４６は、有底筒状の形状を有し、シールド板４５の内側に配置されて、シールド板４５を接続保持している。極低温格納容器１０Ｅでは、液体冷媒槽４６の配設数を４本としているが、液体冷媒槽４６の数は、１本の液体冷媒槽４６の大きさ（貯留可能な液体冷媒量）等によって、１本でもよく４本以外の複数本でもよい。
【００６１】
液体冷媒槽４６は連絡配管２２によって固体冷媒槽１２と連通しており、液体冷媒槽４６と固体冷媒槽１２との間で液体冷媒の流通が可能となっているため、冷凍機２５の運転が停止すると、固体冷媒槽１２で生成した液体冷媒が液体冷媒槽４６へと流れ出る。外部からの侵入熱は、シールド板４５を熱伝導して液体冷媒槽４６へと伝えられ、液体冷媒槽４６に貯留された液体冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱として消費される。こうして、シールド板４５の温度上昇が抑制されて固体冷媒槽１２への侵入熱が小さく抑えられ、固体冷媒槽１２において固体冷媒を保持する時間を長時間化することができる。
【００６２】
このように、極低温格納容器１０Ｅによれば、極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｄと同様に、真空容器１１からの侵入熱を液体冷媒の蒸発潜熱として用いることにより真空容器１１からの輻射侵入熱が小さく抑えられるという効果が得られ、さらに、極低温格納容器１０Ｅでは、シールド板４５を用いることによる軽量化が可能であるという利点がある。
【００６３】
《第６実施形態》
図８（ａ）に本発明の第６実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を表した垂直断面図を示し、（ｂ）に水平断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｆが、第５実施形態に係る極低温格納容器１０Ｅと異なる点は、極低温格納容器１０Ｅでは、有底筒状の液体冷媒槽４６の外側にシールド板４５が配置されているのに対し、極低温格納容器１０Ｆでは、有底筒状の液体冷媒槽４６の内側にシールド板４５が配置されている点である。
【００６４】
液体冷媒槽４６の内側にシールド板４５を配置することにより、真空容器１１とシールド板４５との距離が長くなると共に、シールド板４５の外周面積が小さくなるために、真空容器１１からシールド板４５への輻射侵入熱が減少する。これにより、輻射侵入熱を消費するために必要な液体冷媒の量を低減することができる。また、シールド板４５自体の重さが軽くなるため、極低温格納容器１０Ｆは、極低温格納容器１０Ｅと比べて、さらに軽量化が可能になるという利点がある。
【００６５】
なお、極低温格納容器１０Ｆのその他の構成要素は、極低温格納容器１０Ｅの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００６６】
《極低温格納容器を備えた装置の具体例》
以上に説明した第１〜６実施形態に係る極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｆは、例えば、磁気誘導式ＤＤＳ（ドラッグデリバリーシステム）に用いられる。磁気誘導式ＤＤＳでは、患者の体内に磁性微粒子に薬剤を付加した磁性薬剤を注入し、磁気力を利用して、磁性薬剤を患部に誘導することにより、患部における薬剤濃度を高められて治療効果が高められることが期待される。このような磁性薬剤の誘導には、高磁場又は高磁気勾配を発生する超電導磁石が必要であり、極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｆにより超電導磁石がその機能を発揮することができる状態に保持される。
【００６７】
これに限られず、本発明に係る極低温格納容器は、核磁気共鳴診断（ＭＲＩ）装置や核磁気共鳴分析（ＮＭＲ）装置、ＳＱＵＩＤ装置、電子ビーム源装置等の好適に用いられる。そこで、以下、ＭＲＩ装置、ＳＱＵＩＤ装置及び電子ビーム源装置にそれぞれ適用した場合について、具体的に説明する。
【００６８】
＜ＭＲＩ装置＞
図９にＭＲＩ装置の概略構造を表した垂直断面図を示す。ＭＲＩ装置１００では、その中心部に形成されている空間１００ｃに被検査体（例えば、患者等）が載置され、この空間１００ｃに所定の磁場を形成するために、空間１００ｃの上側と下側に、超電導磁石５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂ（以下「超電導磁石５１ａ等」といい、これらについては後に説明する）が、空間１００ｃに対して左右対称に配置されている。
【００６９】
超電導磁石５１ａ等を所定温度に冷却して保持するために、ＭＲＩ装置１００は、外側壁１１ｂと内側壁１１ｃとを有する真空容器１１を備えており、外側壁１２ａと内側壁１２ｂとを有する固体冷媒槽１２が、真空容器１１内に配置されている。真空容器１１内は真空雰囲気に保持され、固体冷媒槽１２内に固体冷媒が貯蔵される。真空容器１１の外側壁１１ｂの上面には、固体冷媒槽１２を冷却する冷凍機２５が取り付けられ、冷凍ステージ２６が真空容器１１の外側壁１１ｂを貫通して固体冷媒槽１２の外側壁１２ａに取り付けられている。冷凍ステージ２６は、冷凍機２５からの冷熱を固体冷媒槽１２に熱伝導して、固体冷媒槽１２を冷却する。
【００７０】
真空容器１１の外側壁１１ｂの内側と、真空容器１１の内側壁１１ｃの外側にはそれぞれ、断熱材６０ａ，６０ｂが配設されている。この断熱材６０ｂの外側に熱伝導部材７０ａが配置され、固体冷媒槽１２の外側壁１２ａの内側に熱伝導部材７０ｂが配置されている。断熱材６０ａと固体冷媒槽１２の外側壁１２ａとの間の空間に液体冷媒槽２１が設けられている。液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２とは、連絡配管２２を通して連通している。
【００７１】
被検査体が載置される空間１００ｃの上側に円盤状の超電導磁石５１ａが配置されており、この超電導磁石５１ａの上側に超電導磁石５２ａが配置されている。また、空間１００ｃの下側に円盤状の超電導磁石５１ｂが配置されており、この超電導磁石５１ｂの下側に超電導磁石５２ｂが配置されている。さらに、熱伝導部材７０ｂの内側の上下にそれぞれ、リング状の超電導磁石５３ａ，５３ｂが配置されている。超電導磁石５３ａ，５３ｂは、磁場の均一度を調整し、磁場が外部に漏洩することを防止する。なお、超電導磁石５１ａ等としては、高温超電導バルク磁石を用いることができる。
【００７２】
超電導磁石５１ａ，５１ｂと超電導磁石５２ａ，５２ｂは、固体冷媒槽１２内の固体冷媒と熱的に接触している。超電導磁石５３ａ，５３ｂは、熱伝導部材７０ｂを介して固体冷媒と熱的に接触している。こうして、超電導磁石５１ａ等は、所望される磁気的特性を発揮することができる状態に保持されている。超電導磁石５１ａ等の構造及び配置位置は、空間１００ｃの中心位置における磁場強度、空間１００ｃにおける磁場均一度、ＭＲＩ装置１００の外側の漏洩磁場強度等が所定値を満足するように決定される。
【００７３】
冷凍機２５を運転することによって、固体冷媒槽１２に貯蔵された固体冷媒を一定温度に冷却して保持することができるが、冷凍機２５ではＭＲＩ画像の解像度を乱す電磁気が発生するため、冷凍機２５を一時的に停止することは、このような電磁気によるＭＲＩ画像の外乱を防止することに有効である。また、停電などの緊急時にも冷凍機２５は停止する。
【００７４】
冷凍機２５の運転を意図的に停止させ、又は、停電等により停止したとき、固体冷媒槽１２内の固体冷媒は、外部からの侵入熱により温度上昇が始まり、融点に達したときからは融解が始まる。こうして生成した液体冷媒は、連絡配管２２を通じて液体冷媒槽２１に流入し、蒸発することで外部から液体冷媒槽２１への侵入熱を奪い、固体冷媒槽１２への侵入熱を小さく抑える。こうして、固体冷媒の融解を抑制して、固体冷媒の保持時間を長時間化することで、冷凍機２５の運転停止時におけるＭＲＩ装置の可動可能時間を長時間化し、また、良好な解像度でＭＲＩ画像を取得することができるようになる。
【００７５】
なお、ＮＭＲ装置は、ＭＲＩ装置とほぼ同じ構成を有しているため、ＮＭＲ装置の場合には、冷凍機２５の運転を停止させた状態で稼働させることにより、外乱の少ないＮＭＲ信号波形を得ることができる。
【００７６】
＜ＳＱＵＩＤ装置＞
図１０にＳＱＵＩＤ装置の概略構造を表した垂直断面図を示す。ＳＱＵＩＤ装置２００は、内部が真空に保持される真空容器１１と、真空容器１１の内部に収容され、固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽１２と、冷熱を発生させる冷凍機２５と、冷凍機２５で発生させた冷熱を固体冷媒槽１２に熱伝導する冷凍ステージ２６と、冷凍ステージ２６からの熱伝導によって固体冷媒槽１２に貯蔵された固体冷媒を冷却する上側熱伝導部材１５と、液体冷媒を貯留するために固体冷媒槽１２の外周と真空容器１１の内周との間に形成された空間に固体冷媒槽１２の外周を一定の間隔を設けて囲むように配設された液体冷媒槽２１とを備えており、被冷却体としてのＳＱＵＩＤ２０が固体冷媒槽１２の内部底面側に複数（ここでは、４つ）配設された構造を有している。
【００７７】
真空容器１１、固体冷媒槽１２及び液体冷媒槽２１には、渦電流の発生を防止して、ＳＱＵＩＤ２０の検出精度を高める観点から、ＧＦＲＰ等の非磁性・非金属材料が用いられる。上側熱伝導部材１５もまたＳＱＵＩＤ２０に近接するため、上側熱伝導部材１５は、磁場によって渦電流を発生せず、熱伝導率が比較的大きい非磁性・非金属材料で構成され、具体的には、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が用いられる。固体冷媒槽１２の上面板であるフランジ１３についても、上側熱伝導部材１５と同様である。
【００７８】
なお、上側熱伝導部材１５を金属で構成する場合には、上側熱伝導部材１５自体に渦電流が発生しても、また、冷凍機２５で発生した渦電流が上側熱伝導部材１５に流れても、ＳＱＵＩＤ２０の検出精度を低下させることのない高さを下限位置とすればよい。また、固体冷媒を生成するための時間を短時間化するために、上側熱伝導部材１５の周囲に、固体冷媒よりも熱伝導率が大きく、非磁性かつ非金属であるＡｌ２Ｏ３やＡｌＮ等で構成されるフィンを設けてもよい。
【００７９】
ＳＱＵＩＤ２０を固体冷媒槽１２の内部に配置することにより、ＳＱＵＩＤ２０を所望する極低温に安定して保持することができる。ＳＱＵＩＤ２０は、超電導磁石の輪や周囲の配線を含むＳＱＵＩＤ本体部である。
【００８０】
冷凍機２５、冷凍ステージ２６、固体冷媒槽１２と液体冷媒槽２１とを連通させる連絡配管２２、液体冷媒槽２１を固体冷媒槽１２に支持させるための支持体２３、真空容器１１の内側に設けられた断熱材１８、固体冷媒槽１２に取り付けられた冷媒配管３３、冷媒配管３３に取り付けられた逆止弁３４、液体冷媒槽２１に取り付けられた冷媒配管３１、冷媒配管３１に取り付けられた逆止弁３２はそれぞれ、極低温格納容器１０Ａ（図１参照）に用いられているものと同じであるので、ここでの説明は省略する。なお、連絡配管２２にもＧＦＲＰが用いられている。
【００８１】
ＳＱＵＩＤ装置２００でも、冷凍機２５の運転中には、冷凍機２５で電磁気が発生し、この電磁気がＳＱＵＩＤ２０による磁気計測の外乱となる。そのため、冷凍機２５を停止することは、検出精度を高める有効な手段となる。冷凍機２５の運転を停止した際のＳＱＵＩＤ装置２００における固体冷媒槽１２での固体冷媒の保持時間は、極低温格納容器１０Ａ（図１参照）とほぼ同じである。したがって、冷凍機２５の運転停止時におけるＳＱＵＩＤ装置２００の可動可能時間が長時間化され、また、良好な解像度でＳＱＵＩＤ信号を測定することができる。
【００８２】
＜電子ビーム源装置＞
図１１に電子ビーム源装置の概略構造を表した垂直断面図を示す。この電子ビーム源装置３００は、基本的に、極低温格納容器１０Ａ（図１参照）を用いて構成されている。極低温格納容器１０Ａでは、被冷却体５を固体冷媒槽１２の底面板１６に取り付けて冷却する構造となっているが、電子ビーム源装置３００では、固体冷媒槽１２の底面板１６に板状の熱伝導部材９１を取り付け、この熱伝導部材９１に被冷却体としての電子ビーム発振器９０を固体冷媒槽１２から離れた位置に設置しており、この点で異なっている。
【００８３】
被冷却体である電子ビーム発振器９０は、冷却温度が低温になるにしたがって電気特性が向上する。しかし、冷凍機２５の運転時には、冷凍機２５のコンプレッサ部（図示せず）が振動する。そのため、電子ビーム発振器９０を直接に固体冷媒槽１２に取り付けて冷却すると、冷凍機２５で発生した振動が電子ビーム発振器９０に伝わり、電子ビーム発振器９０の位置制御の精度が低下する。この問題を回避するために、電子ビーム源装置３００では、熱伝導部材９１を用いて固体冷媒槽１２から電子ビーム発振器９０へ冷熱を熱伝導させることにより、冷凍機２５で発生する振動の電子ビーム発振器９０への伝達を抑制しながら、電子ビーム発振器９０を冷却する構造を採用している。これにより、冷凍機２５の運転中でも、電子ビーム発振器９０の位置制御を精度よく行うことができる。
【００８４】
極低温格納容器１０Ａを応用した電子ビーム源装置３００では、さらに熱伝導部材９１を介して伝わる振動を抑えるために冷凍機２５の運転を意図的に停止させた場合、又は、停電等により冷凍機２５が停止したときには、固体冷媒槽１２内の固体冷媒は、外部からの侵入熱により温度上昇し始め、融点に達したときからは融解が始まる。こうして生成した液体冷媒は、連絡配管２２を通じて液体冷媒槽２１に流入し、蒸発することで外部から液体冷媒槽２１への侵入熱を奪い、固体冷媒槽１２への侵入熱を小さく抑える。こうして、固体冷媒の融解を抑制して、固体冷媒の保持時間を長時間化することで、冷凍機２５の運転停止時における電子ビーム源装置３００の可動可能時間を長時間化し、また、電子ビームの照射位置精度を高めることができる。
【００８５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｄでは、固体冷媒槽１２の外周（側面）を囲むように液体冷媒槽２１を設けたが、真空容器１１と固体冷媒槽１２の底面板１６の間に液体冷媒槽を設ける空間を有する場合（例えば、電子ビーム源装置３００の場合）には、液体冷媒槽２１を底面板１６の下側に延在させてもよい。同様に、シールド板４５を底面板１６の下側に延在させてもよい。
【００８６】
これと同様に、極低温格納容器１０Ｅ，１０Ｆでは、真空容器１１から固体冷媒槽１２の底面板１６やフランジ１３への輻射侵入熱を遮断するために、シールド板４５が固体冷媒槽１２の底面や上面を覆うように設けられていてもよい。
【００８７】
また、連絡配管２２に逆止弁を設けてもよい。逆止弁を設けることで、極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｆが傾いた際に、液体冷媒槽２１（５２）から液体冷媒が固体冷媒槽１２へと流れ込むことを防止することができる。この構成によれば、液体冷媒から固体冷媒への熱伝導により固体冷媒の融解が進むのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図である。
【図２】従来の極低温格納容器の熱経路を説明する図である。
【図３】第１実施形態に係る極低温格納容器の熱経路を説明する図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を示す鉛直断面図（ａ）と水平断面図（ｂ）である。
【図８】本発明の第６実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を示す鉛直断面図（ａ）と水平断面図（ｂ）である。
【図９】本発明に係る極低温格納容器を用いたＭＲＩ装置の概略断面図である。
【図１０】本発明に係る極低温格納容器を用いたＳＱＵＩＤ装置の概略断面図である。
【図１１】本発明に係る極低温格納容器を用いた電子ビーム源装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
５ 被冷却体
７ 熱伝導部材
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ 極低温格納容器
１１ 真空容器
１２ 固体冷媒槽
１５ 上側熱伝導部材（第２熱伝導部材）
１７ 下側熱伝導部材
２１ 液体冷媒槽
２２ 連絡配管
２３ 支持体
２５ 冷凍機
２６ 冷凍ステージ（第１熱伝導部材）
３１，３３ 冷媒配管
３２，３４ 逆止弁
４１ キャピラリ
４２ 蛇行配管
４３ タンク部
４５ シールド板
４６ 液体冷媒槽
５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ 超電導磁石
１００ ＭＲＩ装置
２００ ＳＱＵＩＤ装置
３００ 電子ビーム源装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の冷媒をその融点以下に保持して格納する極低温格納容器及びこの極低温格納容器を備えた極低温装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、超電導現象を利用した装置として、例えば、超電導磁石（コイル、バルク）を用いた核磁気共鳴分析（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）装置や磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）装置、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を用いた微弱磁気検査装置等が開発されている。これらの装置に用いられる超電導磁石やＳＱＵＩＤを動作させるためには、その動作温度である極低温を実現するための冷却構造物が必要とされる。
【０００３】
そのため、例えば、高温超電導磁石の冷却構造物として、冷凍機によって高温超電導磁石を直接冷却するとともに、冷凍機による冷熱を利用して固体冷媒を生成させる冷却構造物が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この冷却構造物では、生成した固体冷媒を高温超電導磁石の周囲に配置し、固体冷媒をヒートシンクとして利用することにより、冷凍機の運転が停電等により停止したり、冷凍機の運転による電磁気の発生や振動を防止するために意図的に冷凍機の運転を停止したりした際にも、高温超電導磁石の温度上昇が抑制される構造となっている。
【特許文献１】特開２００２−２０８５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された冷却構造物では、冷却構造物の外壁と冷却構造物内の極低温部との温度差が大きいため、冷却構造物からその内部の極低温部への輻射侵入熱が大きい。そのため、冷凍機の運転停止時には、この輻射侵入熱によって固体冷媒の融解速度が速くなる。また、運転を停止した冷凍機から直接に熱伝導により超電導磁石の温度が上昇しやすい。そのため、超電導磁石を超電導臨界温度以下の極低温を保持することが可能な時間が短くなる。こうして、この冷却構造物を備えた超電導装置では、冷凍機の運転停止時に、連続して使用が可能な時間が短くなってしまう。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、冷凍機の運転が停止した際にも長時間にわたって極低温を保持することができる冷却構造物としての極低温格納容器及びこの極低温格納容器を備えた極低温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】
【０００６】
本発明に係る極低温格納容器は、冷凍機によって冷却される固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽と、前記固体冷媒槽の外周を所定の間隔を設けて囲むように配置される液体冷媒槽とを真空容器の内部に収容すると共に、前記冷凍機が停止した際に固体冷媒の融解によって前記固体冷媒槽で生じる液体冷媒が前記液体冷媒槽へ流れ込んで、前記真空容器からの輻射侵入熱が前記液体冷媒槽での液体冷媒の蒸発潜熱として消費されるように構成されており、こうして、前記液体冷媒槽の温度上昇を抑制し、ひいては前記固体冷媒槽への侵入熱を小さくして固体冷媒の保持時間を長時間化させるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、冷凍機の運転が停止した際にも、長時間にわたって極低温を保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
《第１実施形態》
図１に本発明の第１実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器１０Ａは、概略、内部が真空に保持される真空容器１１と、真空容器１１の内部に収容され、固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽１２と、冷熱を発生させる冷凍機２５と、冷凍機２５で発生させた冷熱を固体冷媒槽１２に熱伝導するための第１熱伝導部材として用いられる冷凍ステージ２６と、冷凍ステージ２６からの熱伝導によって固体冷媒槽１２に貯蔵された固体冷媒（又は液体冷媒）を冷却する第２熱伝導部材として用いられる上側熱伝導部材１５と、液体冷媒を貯留するために固体冷媒槽１２の外周（側面）と真空容器１１の内周との間に形成された空間に固体冷媒槽１２の外周を一定の間隔を設けて囲むように配設された二重円筒状の液体冷媒槽２１とを備えており、被冷却体５が固体冷媒槽１２の底面板１６の外側（下面側）に取り付けられた構造を有している。
【０００９】
［被冷却体５とその周辺構造］
被冷却体５は、例えば、超電導磁石のように磁気（磁場）を発生し、又は、ＳＱＵＩＤのように磁気を検出する磁気デバイスである。極低温格納容器１０Ａの構成部品は、被冷却体５が磁気デバイスであることを前提としてその特性が発揮されるように、選定されているものとする。
【００１０】
被冷却体５は熱伝導部材７によって被覆されている。熱伝導部材７には、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導率の大きい非磁性金属材料が用いられる。被冷却体５を熱伝導率の大きい熱伝導部材７で被覆することにより、被冷却体５の壁面温度（外周温度）を均一にすることができ、これにより被冷却体５の磁気的特性が安定する。また、ＣｕやＡｌ等の熱放射率の低い材料を用いることで、被冷却体５の周囲からの被冷却体５への侵入熱を小さく抑えることができる。
【００１１】
なお、ここでは、被冷却体５が固体冷媒槽１２に対して物理的に接触するように固体冷媒槽１２に取り付けられている形態としているが、被冷却体５は、固体冷媒槽１２に対して熱的に接触していればよく、必ずしも物理的に接触していなくともよい。「熱的に接触している」とは、被冷却体５と固体冷媒槽１２との間で熱の伝導が可能な状態をいう。
【００１２】
［真空容器１１とその周辺構造］
真空容器１１の底面板は被冷却体５と対向しており、被冷却体５が磁気を与え又は磁気を検出する対象物は、真空容器１１の底面板を挟んで被冷却体５の位置とは反対側の真空容器１１外側（下面側）に配置されるため、真空容器１１は、被冷却体５と前記対象物との間で磁気（磁場）に影響を与えない非磁性材料で構成され、例えば、ステンレス等の金属材料や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Fiber Reinforced Plastics）等の非金属材料で構成されていることが好ましい。
【００１３】
真空容器１１には、真空容器１１内を真空引きして真空に保持するための配管と開閉バルブ（図示せず）が設けられている。真空容器１１の内側には断熱材１８が配置されている。図１では、断熱材１８を真空容器１１の内側上部にのみ図示しているが、断熱材１８は、真空容器１１の内周面全体に設けられている。断熱材１８は、真空容器１１の底面板と被冷却体５との間にも、配置することができる。断熱材１８としては、Ａｌ蒸着したフィルムと断熱スペーサとを交互に積層した積層断熱材が好適に用いられる。
【００１４】
［冷凍機２５とその周辺構造］
真空容器１１の上面板には穴１１ａが形成されており、冷凍機２５は、この穴１１ａの上側において真空容器１１の上面板に固定されている。冷凍機２５としては、スターリング型冷凍機やパルス管型冷凍機、ギフォード・マクマホン型冷凍機等の各種の極低温冷凍機を用いることができ、その選定にあたっては、その冷却性能と固体冷媒（液体冷媒）の凝固点（融点）を考慮すればよい。
【００１５】
冷凍機２５は、下方向（固体冷媒槽１２側）に突出する冷凍ステージ２６を有している。冷凍機２５で発生させた冷熱を真空容器１１に熱伝導させることなく固体冷媒槽１２へ熱伝導することができるように、冷凍ステージ２６は、穴１１ａを通って真空容器１１内に延びており、その下端面が固体冷媒槽１２の上面に取り付けられている。ここでも、冷凍ステージ２６は固体冷媒槽１２と熱的に接触していればよい。
【００１６】
［固体冷媒槽１２とその周辺構造］
固体冷媒槽１２の構成材料には、ステンレスやＣｕ、Ａｌ等の金属材料、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ；Grass Fiber Reinforced Plastics）等の非金属材料が用いられる。なお、被冷却体５がＳＱＵＩＤである場合には、被冷却体５が取り付けられている固体冷媒槽１２の底面板１６で渦電流が発生すると、検出精度が低下することから、絶縁材料であるＧＦＲＰが好適に用いられる。
【００１７】
固体冷媒槽１２に貯蔵される固体冷媒としては、水素（Ｈ２）、ネオン（Ｎｅ）、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）等が用いられる。固体冷媒（液体冷媒は同じ物質）の選択は、固体冷媒のコストや凝固点（融点）等に基づいて決定することができる。固体冷媒槽１２へは、冷媒配管３３を通して外部から液体冷媒を注入することができるようになっている。
【００１８】
固体冷媒槽１２に貯蔵される固体冷媒は、固体冷媒槽１２に注入された液体冷媒を冷凍機２５で発生させた冷熱を利用して凝固させたものである。したがって、冷凍機２５が正常に運転されている状態では、固体冷媒槽１２内は、注入された液体冷媒の当初の液面近傍から下側が固体冷媒で充填された形態となっている。なお、図１には、後記するように、一旦、固体冷媒槽１２全体に貯蔵された固体冷媒が、冷凍機２５の運転が停止して真空容器１１等からの侵入熱によって一部溶解し、さらに液体冷媒槽２１から一定量の液体冷媒が蒸発した状態が示されている。
【００１９】
冷媒配管３３には、逆止弁３４が取り付けられている。逆止弁３４は、液体冷媒を固体冷媒槽１２に注入する際には、取り外すことができる。逆止弁３４は、固体冷媒槽１２内の圧力が外気圧に対して正圧のときに開き、逆の場合には閉じた状態に維持される。つまり、逆止弁３４は、固体冷媒槽１２内の温度が低くなって圧力が下がったときに閉じるため、固体冷媒槽１２の内部から真空容器１１の外部へ放出される冷媒の蒸発ガスは通すが、真空容器１１の外部から固体冷媒槽１２の内部への空気の侵入を阻止する。こうして、室温の空気による固体冷媒槽１２内への熱の侵入を防止することができる。
【００２０】
被冷却体５は固体冷媒槽１２の底面板１６の外側に取り付けられているため、この底面板１６は、被冷却体５の冷却効率を高める観点から、熱伝導性に優れた材料で構成されていることが好ましい。
【００２１】
固体冷媒槽１２の上面板であるフランジ１３には、固体冷媒槽１２の下方に伸びるように上側熱伝導部材１５が取り付けられている。フランジ１３を介して冷凍ステージ２６から上側熱伝導部材１５に伝えられた冷熱により、固体冷媒槽１２内に固体冷媒が保持される。フランジ１３は、冷凍機２５の運転時に冷凍ステージ２６とフランジ１３の下部との温度差を小さくするために、熱伝導率の大きいＣｕやＡｌ等の金属で構成されることが好ましい。上側熱伝導部材１５にも、また、熱伝導率の大きいＣｕやＡｌ等の金属が用いられる。フランジ１３と上側熱伝導部材１５とは一体であってもよい。
【００２２】
固体冷媒槽１２の底面板１６には、上側熱伝導部材１５の周囲を所定の隙間を設けて囲むように、筒状の形状を有する下側熱伝導部材１７が立設されている。下側熱伝導部材１７は、その内側と外側との間で液体冷媒が通過することができるように、多数の図示しない開口部（孔部）を有している。下側熱伝導部材１７は、上側熱伝導部材１５と同様に、熱伝導率の大きいＣｕやＡｌ等の金属で構成される。
【００２３】
下側熱伝導部材１７を配置することにより、冷凍機２５を運転させた際の液体冷媒の凝固時間を短縮することができる。すなわち、固体冷媒槽１２に液体冷媒が貯蔵されている状態で冷凍機２５の運転を開始すると、上側熱伝導部材１５の周囲から液体冷媒の凝固が始まり、生成した固体冷媒が下側熱伝導部材１７と接触する。下側熱伝導部材１７の熱伝導率は固体冷媒の熱伝導率よりも大きいため、生成した固体冷媒から下側熱伝導部材１７の外周に速やかに冷熱が移動して下側熱伝導部材１７の外周から速やかに液体冷媒の凝固が始まる。
【００２４】
下側熱伝導部材１７を設けることは、固体冷媒槽１２の構成材料の熱伝導率が、上側熱伝導部材１５及び下側熱伝導部材１７の構成材料の熱伝導率よりも小さい場合に、特に有効である。なお、下側熱伝導部材１７の外周に、下側熱伝導部材１７の立設方向と直交するように、固体冷媒よりも熱伝導率が大きい金属で構成されるフィンを設けることで、さらに液体冷媒の凝固時間を短縮させることができる。
【００２５】
［液体冷媒槽２１とその周辺構造］
液体冷媒槽２１は円環状容器であり、液体冷媒槽２１には液体冷媒が貯留される。被冷却体５は磁気デバイスであるため、液体冷媒槽２１を構成する材料は、ステンレスやＡｌ，Ｃｕ等の非磁性金属材料や、ＦＲＰ等の非磁性・非金属材料が用いられる。
【００２６】
液体冷媒槽２１へは、冷媒配管３１を通して外部から液体冷媒を注入することができるようになっている。冷媒配管３１には逆止弁３２が取り付けられており、逆止弁３２は、液体冷媒を液体冷媒槽２１に注入する際には、取り外すことができる。逆止弁３２は、逆止弁３４と同じ機能を有する。すなわち、逆止弁３２は、液体冷媒槽２１内の圧力が外気圧に対して正圧のときに開き、逆の場合には閉じた状態で維持され、液体冷媒槽１２の内部から真空容器１１の外部へ放出される冷媒の蒸発ガスを通すが、真空容器１１の外部から液体冷媒槽２１の内部への空気の侵入を阻止する。こうして、室温の空気による液体冷媒槽２１内への熱の侵入が防止される。
【００２７】
液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２とは、これらの下端近傍に設けられた連絡配管２２によって連通しており、連絡配管２２を通して液体冷媒が移動可能となっている。なお、連絡配管２２は、液体冷媒槽２１を固体冷媒槽１２に支持させる役割をも担っている。液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２の両方が空の状態で、液体冷媒槽２１に液体冷媒を注入すれば、液体冷媒は連絡配管２２を通して固体冷媒槽１２へ移動し、液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２とでは、液体冷媒の液面の高さが同じに維持される。固体冷媒槽１２へ液体冷媒を注入した場合も同様である。
【００２８】
連絡配管２２の材質として、熱伝導率の小さい材料（例えば、ステンレス、ＦＲＰ等）が好適に用いられる。これは、冷凍機２５の運転停止時には、真空容器１１は極低温格納容器１０Ａの使用環境（一般的に大気環境）の温度となっていることから、液体冷媒槽２１へは外部（真空容器１１）から輻射侵入熱が侵入するため、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への連絡配管２２を介した侵入熱を低減することが好ましいからである。図示はしないが、連絡配管２２を介した液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱を低減するために、連絡配管２２に絞りを入れることも有効である。
【００２９】
液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２の上端近傍にこれらを連結する支持体２３が設けられている。この支持体２３は、熱伝導率の高いＣｕやＡｌ等の金属で構成されており、固体冷媒槽１２側ではフランジ１３に接続されている。冷凍機２５の運転停止時には、室温の冷凍機２５からフランジ１３へ熱が侵入する。フランジ１３と固体冷媒とは上側熱伝導部材１５を介して熱的に接触するため、冷凍機２５からの侵入熱はフランジ１３から固体冷媒へと熱伝導するが、支持体２３をフランジ１３に接続することにより、冷凍機２５からの侵入熱の一部がフランジ１３から支持体２３を経由して液体冷媒槽２１へ伝えられるようになり、これにより、フランジ１３から上側熱伝導部材１５へ伝えられる侵入熱が低減され、固体冷媒の融解を抑制することができる。
【００３０】
なお、支持体２３を、フランジ１３に代えて冷凍ステージ２６に取り付けても、同様の効果が得られる。このように、極低温格納容器１０Ａでは、液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２との間には間隙が設けられ、液体冷媒槽２１は連絡配管２２及び支持体２３以外の部位で固体冷媒槽１２とは接していない構造とすることで、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱が小さく抑えられている。
【００３１】
［極低温格納容器１０Ａの使用形態］
次に、極低温格納容器１０Ａの使用形態について説明する。極低温格納容器１０Ａの最初の運転開始時には、固体冷媒槽１２と液体冷媒槽２１のいずれにも冷媒は貯蔵されていないため、例えば、冷媒配管３１を通して一定量の液体冷媒を液体冷媒槽２１に注入する。液体冷媒槽２１に注入された液体冷媒は、連絡配管２２を通じて固体冷媒槽１２へ流入し、固体冷媒槽１２内では下側熱伝導部材１７の開口部（図示せず）を通じて流通する。こうして、液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２における液体冷媒の液面の高さは同じとなる。なお、固体冷媒槽１２側の冷媒配管３３から液体冷媒を注入してもよい。この時点で、被冷却体５は液体冷媒から冷熱が熱伝導されることにより、液体冷媒の沸点近傍の温度に冷却される。
【００３２】
続いて、冷凍機２５を運転させる。これにより、冷凍機２５で発生した冷熱が熱伝導により冷凍ステージ２６へ伝えられ、さらにフランジ１３を介して上側熱伝導部材１５に伝えられ、上側熱伝導部材１５に接触した液体冷媒が凝固を始める。固体冷媒槽１２において実際に液体冷媒が凝固する形態は、固体冷媒槽１２の構成材料を含めた固体冷媒槽１２での冷熱の移動のしやすさと外部からの侵入熱の大きさ等に依存する。最終的に、冷凍機２５の運転により、固体冷媒槽１２に注入された液体冷媒を凝固させ、固体冷媒はその凝固点以下の所定温度で保持される。被冷却体５は固体冷媒の保持温度に向けて冷却され、所定温度で保持される。
【００３３】
なお、液体冷媒槽２１に貯蔵された液体冷媒が凝固して固体冷媒となるか否かは、冷凍機２５の冷凍能力や、支持体２３を通じて侵入する冷熱の大きさ、連絡配管２２を通じて固体冷媒槽１２内の固体冷媒から侵入する冷熱の大きさ、外部からの輻射侵入熱の大きさ等に依存する。液体冷媒槽２１に注入された液体冷媒は、凝固させてもよいし、凝固させなくともよい。ここでは、冷凍機２５の運転中は、固体冷媒槽１２内には固体冷媒が貯蔵され、液体冷媒槽２１には液体冷媒が貯留され、連絡配管２２内において、液体冷媒と固体冷媒とが共存しているものとする。
【００３４】
停電等により冷凍機２５への電力供給が停止すると、冷凍機２５は運転を停止する。このとき、液体冷媒槽２１が固体冷媒槽１２の外周を囲んだ構造となっているため、外部からの輻射侵入熱は、液体冷媒槽２１に貯留された液体冷媒の蒸発潜熱として消費され、これにより液体冷媒槽２１の温度上昇が抑制されて、固体冷媒槽１２への侵入熱が小さく抑えられる。こうして、固体冷媒槽１２に貯蔵されている固体冷媒の融解を抑制することができ、固体冷媒の保持時間を長時間化することができる。
【００３５】
また、冷凍機２５は室温環境下に配置されているため、冷凍機２５が固体冷媒槽１２への熱侵入源となり、冷凍機２５に接続されている冷凍ステージ２６、フランジ１３、上側熱伝導部材１５が熱侵入経路となる。そのため、固体冷媒において上側熱伝導部材１５に接触した部分から融解が始まる。連絡配管２２が固体冷媒によって閉塞されていない限り、固体冷媒槽１２で生成した液体冷媒は、連絡配管２２を通って液体冷媒槽２１へと流れ出し、液体冷媒槽２１において外部からの輻射侵入熱を蒸発潜熱として消費して蒸発する。こうして、液体冷媒槽２１の温度上昇が抑制されて、固体冷媒槽１２への侵入熱が小さく抑えられる効果が持続する。
【００３６】
このように極低温格納容器１０Ａでは、冷凍機２５の運転が停止しても、固体冷媒槽１２においては、長時間にわたって固体冷媒を保持することができ、その間は被冷却体５が所望の温度に保持されるので、連続使用が可能になる。
【００３７】
［極低温格納容器１０Ａにおける熱経路］
前記説明の通り、極低温格納容器１０Ａでは、冷凍機２５の運転が停止しても、固体冷媒槽１２に長時間にわたって固体冷媒を保持することができる。この効果について、図１〜３を参照して説明する。図２は従来の極低温格納容器の熱経路を示す模式図であり、図３は極低温格納容器１０Ａの熱経路を示す模式図である。
【００３８】
極低温格納容器１０Ａにおいて、冷凍機２５の運転が停止した際の外部から真空容器１１内部への侵入熱（侵入熱量）［Ｗ］は、図１に示されているように、『侵入熱［Ｗ］＝熱伝導侵入熱Ｑλ［Ｗ］+側面輻射侵入熱Ｑｒａｄ［Ｗ］+底面輻射侵入熱Ｑｒａｄ′［Ｗ］』となる。固体冷媒が固体窒素であり、液体冷媒が液体窒素であるとすると、凝固点〔＝６３Ｋ（融点と同じとする）〕以下にあった固体窒素の温度は凝固点まで上昇し、その後、融解して液体窒素となる。このときの融解速度は、下記式（１）で表される。ここで、『ｖｏｌ』は固体窒素の容積［ｍ３］、『ｈｓｌ』は固体窒素の融解潜熱［Ｊ／ｋｇ］、『ρ』は固体窒素の密度［ｋｇ／ｍ３］である。
【００３９】
【数１】
【００４０】
従来の極低温格納容器（例えば、背景技術の説明の際に取り上げた特許文献１に開示された冷却構造物）の熱経路では、図２に示されるように、侵入熱（Ｑλ+Ｑｒａｄ+Ｑｒａｄ′）は、固体窒素の融解に使用されるため、式（１）で表される融解速度で固体窒素は融解し続ける。
【００４１】
これに対して、本発明の第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａでは、固体窒素の融解により生成した液体窒素が連絡配管２２を通って固体冷媒槽１２から液体冷媒槽２１へ移動し、液体冷媒槽２１内において液体冷媒槽２１の周囲からの側面輻射侵入熱Ｑｒａｄを奪って、液体冷媒槽２１内で蒸発する。こうして、図３に示されるように、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への側面輻射侵入熱Ｑｒａｄが遮断され、固体冷媒槽１２内の固体窒素の融解速度が遅くなる。極低温格納容器１０Ａでの固体窒素の融解速度は上記式（２）で表され、このとき、長時間化される固体窒素の保持時間ｔ［ｓ］は上記式（３）で表される。さらに、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱Ｑｓｌ［Ｗ］は上記式（４）で表される。
【００４２】
なお、式（４）において、『Ａ』は断面積［ｍ３］、『λ』は熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、『ε１』は液体冷媒槽の構成部材の放射率［無次元］、『ε２』は固体冷媒槽の構成部材の放射率［無次元］、『Ｌ』は連絡配管２２の長さ［ｍ］、添え字の『ｐｉｐｅ』は連絡配管２２、『ＬＮ２』は液体窒素、『ｓｉｄｅ』は固体冷媒槽側面、『ｌ』は連絡配管、をそれぞれ示している。式（４）中の『７７』は液体窒素の沸点温度（７７Ｋ）を、『６３』は液体窒素の融点（６３Ｋ）を意味し、５．６７×１０−８は、ステファン−ボルツマン定数［Ｗ／（ｍ２・Ｋ４）］である。
【００４３】
式（３）に基づいて、極低温格納容器１０Ａについて、固体窒素の保持時間ｔを、固体窒素が１リットル、側面輻射侵入熱Ｑｒａｄが０．５Ｗ、底面輻射侵入熱Ｑｒａｄ′と熱伝導侵入熱Ｑλの合計が１Ｗであった場合について求めると、保持時間ｔは約２時間となる。つまり、極低温格納容器１０Ａでは、冷凍機２５の運転が停止しても、連続運転時間を約２時間引き延ばすことができることがわかる。なお、ここでの計算では、ｈｓｌ＝２５７５０［Ｊ／ｋｇ］、ρ＝９５０［ｋｇ／ｍ３］を使用した。
【００４４】
《第２実施形態》
図４に本発明の第２実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｂが、第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａと異なる点は、液体冷媒槽２１の内面にキャピラリ（毛細管）４１が取り付けられている点である。極低温格納容器１０Ｂの他の構成要素は、極低温格納容器１０Ａの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００４５】
キャピラリ４１は、例えば、ガラスで作られており、その一端が液体冷媒槽２１の底面近傍に位置するようにして、その長手方向が鉛直方向と平行となるように、液体冷媒槽２１の内面（内径側と外径側の両面）にほぼ隙間無く、取り付けられている。キャピラリ４１を配設するメリットは、液体冷媒槽２１がＦＲＰ等の熱伝導率の小さい材料で構成されている場合に顕著に得られる。
【００４６】
例えば、被冷却体５が超電導バルク磁石である場合、金属は磁場を遮蔽するため、液体冷媒槽２１が金属で形成されていると、超電導バルク磁石が発生する磁場の影響により液体冷媒槽２１に磁場勾配が生じるおそれがある。こうして液体冷媒槽２１に渦電流が発生すると、液体冷媒槽２１は発熱する。この発熱は、液体冷媒槽２１での液体冷媒の蒸発に用いられるため、外部からの侵入熱（特に側面輻射侵入熱Ｑｒａｄ）を遮断する能力を低下させる。
【００４７】
そこで、液体冷媒槽２１での渦電流の発生を回避するために、液体冷媒槽２１の構成材料として、ＦＲＰ等の非磁性絶縁材料を用いることが好ましいと考えられる。しかしながら、ＦＲＰは一般的な金属材料と比較して熱伝導率が小さい材料であるため、液体冷媒槽２１において液体冷媒に接している部分とそうでない部分との間に温度勾配が発生する。こうして液体冷媒槽２１に温度勾配が生じると、液体冷媒槽２１において液体冷媒に接していない部分は液体冷媒の沸点よりも高温となるため、この部分から固体冷媒槽１２への輻射侵入熱が大きくなる。
【００４８】
そこで、液体冷媒槽２１内面にキャピラリ４１を配置すると、キャピラリ４１の毛細管力により、液体冷媒の重量と表面張力とが釣り合うまで、液体冷媒がキャピラリ４１内を上昇する。キャピラリ４１を細くすることにより、液体冷媒の液面をより高い位置まで上昇させることができる。キャピラリ４１内で液体冷媒が吸い上げられることによって、液体冷媒槽２１の高さ方向において、液体冷媒に接している部分の面積が広くなる。こうして、液体冷媒槽２１において液体冷媒に接していない部分を少なくすることにより、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱を小さく抑えることができる。
【００４９】
このように、極低温格納容器１０Ｂでも、液体冷媒槽２１の温度上昇を抑制し、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２へ侵入熱を小さく抑えることができる。これにより、冷凍機２５の運転が停止した際にも、長時間にわたって固体冷媒槽１２において固体冷媒を保持することができる。
【００５０】
《第３実施形態》
図５に本発明の第３実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｃが、第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａと異なる点は、極低温格納容器１０Ａが具備する連絡配管２２に代えて、蛇行構造を有する蛇行配管４２を、固体冷媒槽１２と液体冷媒槽２１との間での液体冷媒の流通に用いるように構成した点である。極低温格納容器１０Ｃのその他の構成要素は、極低温格納容器１０Ａの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００５１】
蛇行配管４２を用いた場合、液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２の間の全長（配管距離）が、蛇行配管４２の一端から他端までの直線距離よりも長くなる。配管距離が長くなれば、液体冷媒（例えば、７７Ｋの液体窒素）の蒸発面から固体冷媒（例えば、６３Ｋの固体窒素）の表面までの伝熱距離が長くなる。液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への熱流束は伝熱距離に反比例するため、蛇行配管４２を用いることによって熱流速が小さくなり、液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への熱伝導による侵入熱の大きさを小さくすることができる。
【００５２】
なお、蛇行配管４２の「蛇行」とは、一端と他端とを結ぶ線の長さが、これら２点を結ぶ直線距離（最短距離）よりも長くなっていることをいい、折り返しや旋回等、その形態に限定はない。
【００５３】
極低温格納容器１０Ｃによれば、蛇行配管４２に起因する液体冷媒槽２１から固体冷媒槽１２への侵入熱を小さく抑えることができ、これにより固体冷媒槽１２における固体冷媒の保持時間を長時間化することができる。
【００５４】
《第４実施形態》
図６に本発明の第４実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｄが、第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａと異なる点は、極低温格納容器１０Ａが具備する液体冷媒槽２１が、その下端部に環状のタンク部４３を備えている点である。極低温格納容器１０Ｄのその他の構成要素は、極低温格納容器１０Ａの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００５５】
タンク部４３は、固体冷媒槽１２の底面板１６の高さよりも下側に突出するように設けられている。ここでは、液体冷媒槽２１の下部に、その底面の面積が上面の面積よりも広くなるように鉛直方向の所定位置に段差を形成することで、タンク部４３を形成している。タンク部４３は、このような形状に限定されず、底面の面積が上面の面積よりも広くなるように、側壁面を傾斜させた断面略台形状のものであってもよい。
【００５６】
タンク部４３は、液体冷媒槽２１の温度を均一にするために液体冷媒槽２１を金属で構成した場合に設けられる。冷凍機２５の運転の停止時には、固体冷媒槽１２から液体冷媒槽２１に設けられたタンク部４３への液体冷媒の流入が促され、固体冷媒槽１２における液体冷媒の液面の高さが、タンク部４３を備えていない極低温格納容器１０Ａの場合よりも下がって、液体冷媒が上側熱伝導部材１５と接触しなくなる。これにより、固体冷媒槽１２において、上側熱伝導部材１５から液体冷媒への熱伝導による侵入熱が小さくなるため、固体冷媒の融解が抑制されて固体冷媒の保持時間を長時間化させることができる。
【００５７】
なお、タンク部４３を設けることで、液体冷媒槽２１の液面の高さは低くなるが、液体冷媒槽２１は金属で構成されているために、高さ方向での温度勾配は大きなものにはなりにくい。また、タンク部４３に貯留された多量の液体冷媒により、液体冷媒槽２１が液体冷媒の蒸発の際に外部からの輻射侵入熱を消費する機能が高められる。よって、固体冷媒槽１２への輻射侵入熱の増大は小さく抑えられる。
【００５８】
《第５実施形態》
図７（ａ）に本発明の第５実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を表した垂直断面図を示し、（ｂ）に水平断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｅが、第１実施形態に係る極低温格納容器１０Ａと異なる点は、極低温格納容器１０Ａが具備する輻射侵入熱遮断手段である円環状の液体冷媒槽２１に代えて、シールド板４５と有底筒状の液体冷媒槽４６とを有する輻射侵入熱遮断手段を備えている点である。極低温格納容器１０Ｅのその他の構成要素は、極低温格納容器１０Ａの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００５９】
［シールド板４５］
シールド板４５は、筒状の形状を有し、固体冷媒槽１２の外周と真空容器１１の内周との間に形成された空間に、固体冷媒槽１２の外周を一定の間隔を設けて囲むように配設されている。ここでは、シールド板４５は、固体冷媒槽１２に接続された液体冷媒槽４６に接続されることによって、一定位置で保持されている。シールド板４５は、外部からの輻射侵入熱を、液体冷媒槽４６へ熱伝導するために設けられる。そのため、シールド板４５は、好ましくはＡｌやＣｕ等の熱伝導率の大きな材料で構成される。
【００６０】
［液体冷媒槽４６］
液体冷媒槽４６は、有底筒状の形状を有し、シールド板４５の内側に配置されて、シールド板４５を接続保持している。極低温格納容器１０Ｅでは、液体冷媒槽４６の配設数を４本としているが、液体冷媒槽４６の数は、１本の液体冷媒槽４６の大きさ（貯留可能な液体冷媒量）等によって、１本でもよく４本以外の複数本でもよい。
【００６１】
液体冷媒槽４６は連絡配管２２によって固体冷媒槽１２と連通しており、液体冷媒槽４６と固体冷媒槽１２との間で液体冷媒の流通が可能となっているため、冷凍機２５の運転が停止すると、固体冷媒槽１２で生成した液体冷媒が液体冷媒槽４６へと流れ出る。外部からの侵入熱は、シールド板４５を熱伝導して液体冷媒槽４６へと伝えられ、液体冷媒槽４６に貯留された液体冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱として消費される。こうして、シールド板４５の温度上昇が抑制されて固体冷媒槽１２への侵入熱が小さく抑えられ、固体冷媒槽１２において固体冷媒を保持する時間を長時間化することができる。
【００６２】
このように、極低温格納容器１０Ｅによれば、極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｄと同様に、真空容器１１からの侵入熱を液体冷媒の蒸発潜熱として用いることにより真空容器１１からの輻射侵入熱が小さく抑えられるという効果が得られ、さらに、極低温格納容器１０Ｅでは、シールド板４５を用いることによる軽量化が可能であるという利点がある。
【００６３】
《第６実施形態》
図８（ａ）に本発明の第６実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を表した垂直断面図を示し、（ｂ）に水平断面図を示す。この極低温格納容器１０Ｆが、第５実施形態に係る極低温格納容器１０Ｅと異なる点は、極低温格納容器１０Ｅでは、有底筒状の液体冷媒槽４６の外側にシールド板４５が配置されているのに対し、極低温格納容器１０Ｆでは、有底筒状の液体冷媒槽４６の内側にシールド板４５が配置されている点である。
【００６４】
液体冷媒槽４６の内側にシールド板４５を配置することにより、真空容器１１とシールド板４５との距離が長くなると共に、シールド板４５の外周面積が小さくなるために、真空容器１１からシールド板４５への輻射侵入熱が減少する。これにより、輻射侵入熱を消費するために必要な液体冷媒の量を低減することができる。また、シールド板４５自体の重さが軽くなるため、極低温格納容器１０Ｆは、極低温格納容器１０Ｅと比べて、さらに軽量化が可能になるという利点がある。
【００６５】
なお、極低温格納容器１０Ｆのその他の構成要素は、極低温格納容器１０Ｅの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【００６６】
《極低温格納容器を備えた装置の具体例》
以上に説明した第１〜６実施形態に係る極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｆは、例えば、磁気誘導式ＤＤＳ（ドラッグデリバリーシステム）に用いられる。磁気誘導式ＤＤＳでは、患者の体内に磁性微粒子に薬剤を付加した磁性薬剤を注入し、磁気力を利用して、磁性薬剤を患部に誘導することにより、患部における薬剤濃度を高められて治療効果が高められることが期待される。このような磁性薬剤の誘導には、高磁場又は高磁気勾配を発生する超電導磁石が必要であり、極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｆにより超電導磁石がその機能を発揮することができる状態に保持される。
【００６７】
これに限られず、本発明に係る極低温格納容器は、核磁気共鳴診断（ＭＲＩ）装置や核磁気共鳴分析（ＮＭＲ）装置、ＳＱＵＩＤ装置、電子ビーム源装置等の好適に用いられる。そこで、以下、ＭＲＩ装置、ＳＱＵＩＤ装置及び電子ビーム源装置にそれぞれ適用した場合について、具体的に説明する。
【００６８】
＜ＭＲＩ装置＞
図９にＭＲＩ装置の概略構造を表した垂直断面図を示す。ＭＲＩ装置１００では、その中心部に形成されている空間１００ｃに被検査体（例えば、患者等）が載置され、この空間１００ｃに所定の磁場を形成するために、空間１００ｃの上側と下側に、超電導磁石５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂ（以下「超電導磁石５１ａ等」といい、これらについては後に説明する）が、空間１００ｃに対して左右対称に配置されている。
【００６９】
超電導磁石５１ａ等を所定温度に冷却して保持するために、ＭＲＩ装置１００は、外側壁１１ｂと内側壁１１ｃとを有する真空容器１１を備えており、外側壁１２ａと内側壁１２ｂとを有する固体冷媒槽１２が、真空容器１１内に配置されている。真空容器１１内は真空雰囲気に保持され、固体冷媒槽１２内に固体冷媒が貯蔵される。真空容器１１の外側壁１１ｂの上面には、固体冷媒槽１２を冷却する冷凍機２５が取り付けられ、冷凍ステージ２６が真空容器１１の外側壁１１ｂを貫通して固体冷媒槽１２の外側壁１２ａに取り付けられている。冷凍ステージ２６は、冷凍機２５からの冷熱を固体冷媒槽１２に熱伝導して、固体冷媒槽１２を冷却する。
【００７０】
真空容器１１の外側壁１１ｂの内側と、真空容器１１の内側壁１１ｃの外側にはそれぞれ、断熱材６０ａ，６０ｂが配設されている。この断熱材６０ｂの外側に熱伝導部材７０ａが配置され、固体冷媒槽１２の外側壁１２ａの内側に熱伝導部材７０ｂが配置されている。断熱材６０ａと固体冷媒槽１２の外側壁１２ａとの間の空間に液体冷媒槽２１が設けられている。液体冷媒槽２１と固体冷媒槽１２とは、連絡配管２２を通して連通している。
【００７１】
被検査体が載置される空間１００ｃの上側に円盤状の超電導磁石５１ａが配置されており、この超電導磁石５１ａの上側に超電導磁石５２ａが配置されている。また、空間１００ｃの下側に円盤状の超電導磁石５１ｂが配置されており、この超電導磁石５１ｂの下側に超電導磁石５２ｂが配置されている。さらに、熱伝導部材７０ｂの内側の上下にそれぞれ、リング状の超電導磁石５３ａ，５３ｂが配置されている。超電導磁石５３ａ，５３ｂは、磁場の均一度を調整し、磁場が外部に漏洩することを防止する。なお、超電導磁石５１ａ等としては、高温超電導バルク磁石を用いることができる。
【００７２】
超電導磁石５１ａ，５１ｂと超電導磁石５２ａ，５２ｂは、固体冷媒槽１２内の固体冷媒と熱的に接触している。超電導磁石５３ａ，５３ｂは、熱伝導部材７０ｂを介して固体冷媒と熱的に接触している。こうして、超電導磁石５１ａ等は、所望される磁気的特性を発揮することができる状態に保持されている。超電導磁石５１ａ等の構造及び配置位置は、空間１００ｃの中心位置における磁場強度、空間１００ｃにおける磁場均一度、ＭＲＩ装置１００の外側の漏洩磁場強度等が所定値を満足するように決定される。
【００７３】
冷凍機２５を運転することによって、固体冷媒槽１２に貯蔵された固体冷媒を一定温度に冷却して保持することができるが、冷凍機２５ではＭＲＩ画像の解像度を乱す電磁気が発生するため、冷凍機２５を一時的に停止することは、このような電磁気によるＭＲＩ画像の外乱を防止することに有効である。また、停電などの緊急時にも冷凍機２５は停止する。
【００７４】
冷凍機２５の運転を意図的に停止させ、又は、停電等により停止したとき、固体冷媒槽１２内の固体冷媒は、外部からの侵入熱により温度上昇が始まり、融点に達したときからは融解が始まる。こうして生成した液体冷媒は、連絡配管２２を通じて液体冷媒槽２１に流入し、蒸発することで外部から液体冷媒槽２１への侵入熱を奪い、固体冷媒槽１２への侵入熱を小さく抑える。こうして、固体冷媒の融解を抑制して、固体冷媒の保持時間を長時間化することで、冷凍機２５の運転停止時におけるＭＲＩ装置の可動可能時間を長時間化し、また、良好な解像度でＭＲＩ画像を取得することができるようになる。
【００７５】
なお、ＮＭＲ装置は、ＭＲＩ装置とほぼ同じ構成を有しているため、ＮＭＲ装置の場合には、冷凍機２５の運転を停止させた状態で稼働させることにより、外乱の少ないＮＭＲ信号波形を得ることができる。
【００７６】
＜ＳＱＵＩＤ装置＞
図１０にＳＱＵＩＤ装置の概略構造を表した垂直断面図を示す。ＳＱＵＩＤ装置２００は、内部が真空に保持される真空容器１１と、真空容器１１の内部に収容され、固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽１２と、冷熱を発生させる冷凍機２５と、冷凍機２５で発生させた冷熱を固体冷媒槽１２に熱伝導する冷凍ステージ２６と、冷凍ステージ２６からの熱伝導によって固体冷媒槽１２に貯蔵された固体冷媒を冷却する上側熱伝導部材１５と、液体冷媒を貯留するために固体冷媒槽１２の外周と真空容器１１の内周との間に形成された空間に固体冷媒槽１２の外周を一定の間隔を設けて囲むように配設された液体冷媒槽２１とを備えており、被冷却体としてのＳＱＵＩＤ２０が固体冷媒槽１２の内部底面側に複数（ここでは、４つ）配設された構造を有している。
【００７７】
真空容器１１、固体冷媒槽１２及び液体冷媒槽２１には、渦電流の発生を防止して、ＳＱＵＩＤ２０の検出精度を高める観点から、ＧＦＲＰ等の非磁性・非金属材料が用いられる。上側熱伝導部材１５もまたＳＱＵＩＤ２０に近接するため、上側熱伝導部材１５は、磁場によって渦電流を発生せず、熱伝導率が比較的大きい非磁性・非金属材料で構成され、具体的には、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が用いられる。固体冷媒槽１２の上面板であるフランジ１３についても、上側熱伝導部材１５と同様である。
【００７８】
なお、上側熱伝導部材１５を金属で構成する場合には、上側熱伝導部材１５自体に渦電流が発生しても、また、冷凍機２５で発生した渦電流が上側熱伝導部材１５に流れても、ＳＱＵＩＤ２０の検出精度を低下させることのない高さを下限位置とすればよい。また、固体冷媒を生成するための時間を短時間化するために、上側熱伝導部材１５の周囲に、固体冷媒よりも熱伝導率が大きく、非磁性かつ非金属であるＡｌ２Ｏ３やＡｌＮ等で構成されるフィンを設けてもよい。
【００７９】
ＳＱＵＩＤ２０を固体冷媒槽１２の内部に配置することにより、ＳＱＵＩＤ２０を所望する極低温に安定して保持することができる。ＳＱＵＩＤ２０は、超電導磁石の輪や周囲の配線を含むＳＱＵＩＤ本体部である。
【００８０】
冷凍機２５、冷凍ステージ２６、固体冷媒槽１２と液体冷媒槽２１とを連通させる連絡配管２２、液体冷媒槽２１を固体冷媒槽１２に支持させるための支持体２３、真空容器１１の内側に設けられた断熱材１８、固体冷媒槽１２に取り付けられた冷媒配管３３、冷媒配管３３に取り付けられた逆止弁３４、液体冷媒槽２１に取り付けられた冷媒配管３１、冷媒配管３１に取り付けられた逆止弁３２はそれぞれ、極低温格納容器１０Ａ（図１参照）に用いられているものと同じであるので、ここでの説明は省略する。なお、連絡配管２２にもＧＦＲＰが用いられている。
【００８１】
ＳＱＵＩＤ装置２００でも、冷凍機２５の運転中には、冷凍機２５で電磁気が発生し、この電磁気がＳＱＵＩＤ２０による磁気計測の外乱となる。そのため、冷凍機２５を停止することは、検出精度を高める有効な手段となる。冷凍機２５の運転を停止した際のＳＱＵＩＤ装置２００における固体冷媒槽１２での固体冷媒の保持時間は、極低温格納容器１０Ａ（図１参照）とほぼ同じである。したがって、冷凍機２５の運転停止時におけるＳＱＵＩＤ装置２００の可動可能時間が長時間化され、また、良好な解像度でＳＱＵＩＤ信号を測定することができる。
【００８２】
＜電子ビーム源装置＞
図１１に電子ビーム源装置の概略構造を表した垂直断面図を示す。この電子ビーム源装置３００は、基本的に、極低温格納容器１０Ａ（図１参照）を用いて構成されている。極低温格納容器１０Ａでは、被冷却体５を固体冷媒槽１２の底面板１６に取り付けて冷却する構造となっているが、電子ビーム源装置３００では、固体冷媒槽１２の底面板１６に板状の熱伝導部材９１を取り付け、この熱伝導部材９１に被冷却体としての電子ビーム発振器９０を固体冷媒槽１２から離れた位置に設置しており、この点で異なっている。
【００８３】
被冷却体である電子ビーム発振器９０は、冷却温度が低温になるにしたがって電気特性が向上する。しかし、冷凍機２５の運転時には、冷凍機２５のコンプレッサ部（図示せず）が振動する。そのため、電子ビーム発振器９０を直接に固体冷媒槽１２に取り付けて冷却すると、冷凍機２５で発生した振動が電子ビーム発振器９０に伝わり、電子ビーム発振器９０の位置制御の精度が低下する。この問題を回避するために、電子ビーム源装置３００では、熱伝導部材９１を用いて固体冷媒槽１２から電子ビーム発振器９０へ冷熱を熱伝導させることにより、冷凍機２５で発生する振動の電子ビーム発振器９０への伝達を抑制しながら、電子ビーム発振器９０を冷却する構造を採用している。これにより、冷凍機２５の運転中でも、電子ビーム発振器９０の位置制御を精度よく行うことができる。
【００８４】
極低温格納容器１０Ａを応用した電子ビーム源装置３００では、さらに熱伝導部材９１を介して伝わる振動を抑えるために冷凍機２５の運転を意図的に停止させた場合、又は、停電等により冷凍機２５が停止したときには、固体冷媒槽１２内の固体冷媒は、外部からの侵入熱により温度上昇し始め、融点に達したときからは融解が始まる。こうして生成した液体冷媒は、連絡配管２２を通じて液体冷媒槽２１に流入し、蒸発することで外部から液体冷媒槽２１への侵入熱を奪い、固体冷媒槽１２への侵入熱を小さく抑える。こうして、固体冷媒の融解を抑制して、固体冷媒の保持時間を長時間化することで、冷凍機２５の運転停止時における電子ビーム源装置３００の可動可能時間を長時間化し、また、電子ビームの照射位置精度を高めることができる。
【００８５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｄでは、固体冷媒槽１２の外周（側面）を囲むように液体冷媒槽２１を設けたが、真空容器１１と固体冷媒槽１２の底面板１６の間に液体冷媒槽を設ける空間を有する場合（例えば、電子ビーム源装置３００の場合）には、液体冷媒槽２１を底面板１６の下側に延在させてもよい。同様に、シールド板４５を底面板１６の下側に延在させてもよい。
【００８６】
これと同様に、極低温格納容器１０Ｅ，１０Ｆでは、真空容器１１から固体冷媒槽１２の底面板１６やフランジ１３への輻射侵入熱を遮断するために、シールド板４５が固体冷媒槽１２の底面や上面を覆うように設けられていてもよい。
【００８７】
また、連絡配管２２に逆止弁を設けてもよい。逆止弁を設けることで、極低温格納容器１０Ａ〜１０Ｆが傾いた際に、液体冷媒槽２１（５２）から液体冷媒が固体冷媒槽１２へと流れ込むことを防止することができる。この構成によれば、液体冷媒から固体冷媒への熱伝導により固体冷媒の融解が進むのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図である。
【図２】従来の極低温格納容器の熱経路を説明する図である。
【図３】第１実施形態に係る極低温格納容器の熱経路を説明する図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を示す鉛直断面図（ａ）と水平断面図（ｂ）である。
【図８】本発明の第６実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を示す鉛直断面図（ａ）と水平断面図（ｂ）である。
【図９】本発明に係る極低温格納容器を用いたＭＲＩ装置の概略断面図である。
【図１０】本発明に係る極低温格納容器を用いたＳＱＵＩＤ装置の概略断面図である。
【図１１】本発明に係る極低温格納容器を用いた電子ビーム源装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
５ 被冷却体
７ 熱伝導部材
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ 極低温格納容器
１１ 真空容器
１２ 固体冷媒槽
１５ 上側熱伝導部材（第２熱伝導部材）
１７ 下側熱伝導部材
２１ 液体冷媒槽
２２ 連絡配管
２３ 支持体
２５ 冷凍機
２６ 冷凍ステージ（第１熱伝導部材）
３１，３３ 冷媒配管
３２，３４ 逆止弁
４１ キャピラリ
４２ 蛇行配管
４３ タンク部
４５ シールド板
４６ 液体冷媒槽
５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ 超電導磁石
１００ ＭＲＩ装置
２００ ＳＱＵＩＤ装置
３００ 電子ビーム源装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷熱を発生させる冷凍機と、
所定の固体冷媒を貯蔵し、所定の被冷却体を冷却する固体冷媒槽と、
前記冷凍機で発生させた冷熱を前記固体冷媒槽に熱伝導する第１熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽に収容され、前記固体冷媒槽に収容された固体冷媒を前記第１熱伝導部材からの熱伝導によって冷却する第２熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽を収容する真空容器と、
前記固体冷媒槽の外周と前記真空容器の内周との間に形成された空間に前記固体冷媒槽の外周を所定の間隔を設けて囲むように配設され、前記固体冷媒槽に貯蔵された固体冷媒の融解により生成する液体冷媒を貯留し、この貯留した液体冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱として前記真空容器からの侵入熱を消費することにより前記固体冷媒槽への侵入熱を小さく抑える液体冷媒槽と、
前記固体冷媒槽と前記液体冷媒槽との間での液体冷媒の移動を可能にする連絡配管と、を具備することを特徴とする極低温格納容器。
【請求項２】
前記液体冷媒槽を前記固体冷媒槽に接続して支持する支持体をさらに具備し、
前記支持体は、前記固体冷媒槽側において、前記第１熱伝導部材に、又は、前記固体冷媒槽において前記第１熱伝導部材が取り付けられている部位に、取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の極低温格納容器。
【請求項３】
長さ方向が鉛直方向と略平行となるように前記液体冷媒槽の内面に配設されたキャピラリをさらに具備することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の極低温格納容器。
【請求項４】
前記連絡配管は、その両端間の直線距離よりも全長が長い蛇行配管であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の極低温格納容器。
【請求項５】
前記液体冷媒槽はその底部に、底面の面積が上面の面積よりも広くなるように鉛直方向の所定位置に形成された段差により形成されたタンク部を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の極低温格納容器。
【請求項６】
冷熱を発生させる冷凍機と、
所定の固体冷媒を貯蔵し、所定の被冷却体を冷却する固体冷媒槽と、
前記冷凍機で発生させた冷熱を前記固体冷媒槽に熱伝導する第１熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽に収容され、前記固体冷媒槽に収容された固体冷媒を前記第１熱伝導部材からの熱伝導によって冷却する第２熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽を収容する真空容器と、
前記固体冷媒槽の外周と前記真空容器の内周との間に形成された空間に前記固体冷媒槽の外周を所定の間隔を設けて囲むように配設されたシールド板と、
有底筒状の形状を有し、前記シールド板と接触するように前記シールド板の内側又は外側に１本又は複数本配設され、前記固体冷媒槽に貯蔵された固体冷媒の融解により生成する液体冷媒を貯留し、この貯留した液体冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱として前記シールド板の熱を消費することにより前記シールド板の温度上昇を抑制して前記固体冷媒槽への侵入熱を小さく抑える液体冷媒槽と、
前記固体冷媒槽と前記液体冷媒槽との間での液体冷媒の移動を可能にする連絡配管と、を具備することを特徴とする極低温格納容器。
【請求項７】
前記連絡配管は、ステンレス製又は非金属製であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の極低温格納容器。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の極低温格納容器を備え、
前記極低温格納容器が具備する固体冷媒槽によって冷却される被冷却体が、超電導磁石、ＳＱＵＩＤ及び電子ビーム発振器のいずれか１種であることを特徴とする極低温装置。
【請求項１】
冷熱を発生させる冷凍機と、
所定の固体冷媒を貯蔵し、所定の被冷却体を冷却する固体冷媒槽と、
前記冷凍機で発生させた冷熱を前記固体冷媒槽に熱伝導する第１熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽に収容され、前記固体冷媒槽に収容された固体冷媒を前記第１熱伝導部材からの熱伝導によって冷却する第２熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽を収容する真空容器と、
前記固体冷媒槽の外周と前記真空容器の内周との間に形成された空間に前記固体冷媒槽の外周を所定の間隔を設けて囲むように配設され、前記固体冷媒槽に貯蔵された固体冷媒の融解により生成する液体冷媒を貯留し、この貯留した液体冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱として前記真空容器からの侵入熱を消費することにより前記固体冷媒槽への侵入熱を小さく抑える液体冷媒槽と、
前記固体冷媒槽と前記液体冷媒槽との間での液体冷媒の移動を可能にする連絡配管と、を具備することを特徴とする極低温格納容器。
【請求項２】
前記液体冷媒槽を前記固体冷媒槽に接続して支持する支持体をさらに具備し、
前記支持体は、前記固体冷媒槽側において、前記第１熱伝導部材に、又は、前記固体冷媒槽において前記第１熱伝導部材が取り付けられている部位に、取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の極低温格納容器。
【請求項３】
長さ方向が鉛直方向と略平行となるように前記液体冷媒槽の内面に配設されたキャピラリをさらに具備することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の極低温格納容器。
【請求項４】
前記連絡配管は、その両端間の直線距離よりも全長が長い蛇行配管であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の極低温格納容器。
【請求項５】
前記液体冷媒槽はその底部に、底面の面積が上面の面積よりも広くなるように鉛直方向の所定位置に形成された段差により形成されたタンク部を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の極低温格納容器。
【請求項６】
冷熱を発生させる冷凍機と、
所定の固体冷媒を貯蔵し、所定の被冷却体を冷却する固体冷媒槽と、
前記冷凍機で発生させた冷熱を前記固体冷媒槽に熱伝導する第１熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽に収容され、前記固体冷媒槽に収容された固体冷媒を前記第１熱伝導部材からの熱伝導によって冷却する第２熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽を収容する真空容器と、
前記固体冷媒槽の外周と前記真空容器の内周との間に形成された空間に前記固体冷媒槽の外周を所定の間隔を設けて囲むように配設されたシールド板と、
有底筒状の形状を有し、前記シールド板と接触するように前記シールド板の内側又は外側に１本又は複数本配設され、前記固体冷媒槽に貯蔵された固体冷媒の融解により生成する液体冷媒を貯留し、この貯留した液体冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱として前記シールド板の熱を消費することにより前記シールド板の温度上昇を抑制して前記固体冷媒槽への侵入熱を小さく抑える液体冷媒槽と、
前記固体冷媒槽と前記液体冷媒槽との間での液体冷媒の移動を可能にする連絡配管と、を具備することを特徴とする極低温格納容器。
【請求項７】
前記連絡配管は、ステンレス製又は非金属製であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の極低温格納容器。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の極低温格納容器を備え、
前記極低温格納容器が具備する固体冷媒槽によって冷却される被冷却体が、超電導磁石、ＳＱＵＩＤ及び電子ビーム発振器のいずれか１種であることを特徴とする極低温装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１６０８１（Ｐ２０１０−１６０８１Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７３１９０（Ｐ２００８−１７３１９０）
【出願日】平成２０年７月２日（２００８．７．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２日（２００８．７．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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