特許 7499572 極低温フィードスルー構造および極低温装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-06

(45)【発行日】2024-06-14

(54)【発明の名称】極低温フィードスルー構造および極低温装置

(51)【国際特許分類】

   H01R 9/16 20060101AFI20240607BHJP

【ＦＩ】

H01R9/16 101

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019208783

(22)【出願日】2019-11-19

(65)【公開番号】P2021082474

(43)【公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-09-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】出村 健太

【審査官】濱田 莉菜子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－０９８０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０４－１１３０２３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１０－２３０３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５２－００６４７５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開平０６－０２９０１１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実公昭５９－０３５９５８（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】実開昭５０－０６３１９２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５４－０５６１８８（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｒ９／１５－９／２８

Ｈ０１Ｒ１３／５３３

Ｈ０１Ｒ１３／７４

Ｃ０９Ｊ１／００－５／１０

Ｃ０９Ｊ９／００－２０１／１０

Ｈ１０Ｎ６０／２０－６０／３０

Ｈ１０Ｎ６０／３５５－６０／８１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

極低温圧力容器とともに液体窒素温度またはそれより低い極低温冷却温度に極低温冷却される極低温フィードスルー構造であって、
極低温圧力容器の外側に隣接して周囲環境に配置され、前記極低温圧力容器に気密に装着される絶縁樹脂部材と、
前記絶縁樹脂部材を貫通して前記極低温圧力容器の中から外へと延びる１本の金属導体と、を備え、
前記１本の金属導体は、その外周面で前記絶縁樹脂部材に接合され、液体窒素温度またはそれより低い前記極低温冷却温度に極低温冷却された状態で前記接合が保持され、
前記絶縁樹脂部材は、前記１本の金属導体のまわりに形成された複数の締結穴を有し、各締結穴には締結部材が締結可能であり、極低温用シール部材が前記周囲環境側で前記極低温圧力容器と前記絶縁樹脂部材との間に挟まれるようにして前記締結部材によって前記絶縁樹脂部材が前記極低温圧力容器に気密に締結され、
前記１本の金属導体が、前記絶縁樹脂部材の中心線に沿って延びる円柱状の形状をもつロッドであるとともに、前記絶縁樹脂部材が、前記中心線に沿って円筒状に延びる前記１本の金属導体との接合面を有し、
前記絶縁樹脂部材には、前記極低温冷却温度に極低温冷却されるときの前記絶縁樹脂部材と前記１本の金属導体の熱収縮量を合わせるように微粉が配合されていることを特徴とする極低温フィードスルー構造。

【請求項2】

前記１本の金属導体の外周面には、前記絶縁樹脂部材と係合する離脱防止形状が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の極低温フィードスルー構造。

【請求項3】

前記１本の金属導体の外周面には、極低温冷却された状態で前記絶縁樹脂部材から圧縮応力が働くことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温フィードスルー構造。

【請求項4】

前記絶縁樹脂部材の外周面は、極低温圧力容器の外に露出されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温フィードスルー構造。

【請求項5】

前記絶縁樹脂部材は、円柱状または円板状の部材であり、前記極低温圧力容器の前記周囲環境側の壁面に接触する前記絶縁樹脂部材の第１端面と前記第１端面とは反対側にあり前記周囲環境に露出される前記絶縁樹脂部材の第２端面とが同径の円形形状を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温フィードスルー構造。

【請求項6】

前記絶縁樹脂部材は、極低温に適合した接着剤を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温フィードスルー構造。

【請求項7】

前記絶縁樹脂部材は、第１端面と第２端面を有し、前記１本の金属導体は、前記第１端面から前記第２端面へと前記絶縁樹脂部材を貫通し、
前記絶縁樹脂部材は、前記第１端面で高圧ガス源に気密に装着可能であり、前記第２端面でガスリーク検査装置に気密に装着可能であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温フィードスルー構造。

【請求項8】

加圧された極低温冷媒とともに被冷却物を収容し、前記極低温冷媒によって極低温冷却される極低温圧力容器と、
前記極低温冷媒によって前記極低温圧力容器とともに液体窒素温度またはそれより低い極低温冷却温度に極低温冷却される極低温フィードスルー構造と、を備え、
前記極低温フィードスルー構造は、
前記極低温圧力容器の外側に隣接して周囲環境に配置され、前記極低温圧力容器に気密に装着される絶縁樹脂部材と、
前記被冷却物に接続され、前記絶縁樹脂部材を貫通して前記極低温圧力容器の中から外へと延びる１本の金属導体と、を備え、
前記１本の金属導体は、その外周面で前記絶縁樹脂部材に接合され、液体窒素温度またはそれより低い前記極低温冷却温度に極低温冷却された状態で前記接合が保持され、
前記絶縁樹脂部材は、前記１本の金属導体のまわりに形成された複数の締結穴を有し、各締結穴には締結部材が締結可能であり、極低温用シール部材が前記周囲環境側で前記極低温圧力容器と前記絶縁樹脂部材との間に挟まれるようにして前記締結部材によって前記絶縁樹脂部材が前記極低温圧力容器に気密に締結され、
前記１本の金属導体が、前記絶縁樹脂部材の中心線に沿って延びる円柱状の形状をもつロッドであるとともに、前記絶縁樹脂部材が、前記中心線に沿って円筒状に延びる前記１本の金属導体との接合面を有し、
前記絶縁樹脂部材には、前記極低温冷却温度に極低温冷却されるときの前記絶縁樹脂部材と前記１本の金属導体の熱収縮量を合わせるように微粉が配合されていることを特徴とする極低温装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温フィードスルー構造および極低温装置に関する。

【背景技術】

【0002】

気密容器の中から外へと容器内の気密を保ちながら配線や配管を引き出すために容器壁に取り付けられる部品は一般にフィードスルーと呼ばれ、例えば真空容器から周囲環境に配線を引き出す真空フィードスルーなど、様々な種類のものが利用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】実公昭５９－３５９５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、例えば液体ヘリウム温度のような極低温に冷却され高圧に加圧された極低温冷媒を収容する極低温圧力容器に使用しうるフィードスルーの提案は、ほとんど例がないのが実情である。上記文献にはそうした僅かな例のひとつが開示されている。この構成では、低温高圧容器の貫通孔に絶縁筒が挿通され、絶縁筒の中心孔に電導部材が嵌挿され、インジウム製のシール用パッキンが絶縁筒と電導部材に挟み込まれ両者から押圧されることで、低温高圧容器の内外の気密が保持される。シール用パッキンを押圧すべく電導部材と絶縁筒はそれぞれ対応する特定の形状を有する。そのため、電導部材として一般的なリード線を使用しがたい等、実用上の制約がある。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温圧力容器に適合しうる極低温フィードスルー構造およびこれを用いた極低温装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によると、極低温圧力容器とともに極低温冷却される極低温フィードスルー構造が提供される。極低温フィードスルー構造は、極低温圧力容器の外側に隣接して配置され、極低温圧力容器に気密に装着される絶縁樹脂部材と、絶縁樹脂部材を貫通して極低温圧力容器の中から外へと延びる金属導体と、を備える。金属導体は、その外周面で絶縁樹脂部材に接合され、極低温冷却された状態で前記接合が保持される。

【0007】

本発明のある態様によると、極低温装置は、加圧された極低温冷媒とともに被冷却物を収容し、極低温冷媒によって極低温冷却される極低温圧力容器と、極低温冷媒によって極低温圧力容器とともに極低温冷却される極低温フィードスルー構造と、を備える。極低温フィードスルー構造は、極低温圧力容器の外側に隣接して配置され、極低温圧力容器に気密に装着される絶縁樹脂部材と、被冷却物に接続され、絶縁樹脂部材を貫通して極低温圧力容器の中から外へと延びる金属導体と、を備える。金属導体は、その外周面で絶縁樹脂部材に接合され、極低温冷却された状態で前記接合が保持される。

【0008】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、極低温圧力容器に適合しうる極低温フィードスルー構造およびこれを用いた極低温装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係る極低温フィードスルー構造を示す概略断面図である。

【図2】実施の形態に係る極低温フィードスルー構造を示す概略斜視図である。

【図3】図３（ａ）は、実施の形態に係る極低温フィードスルー構造において金属導体と絶縁樹脂部材の界面に働く応力を示す模式図であり、図３（ｂ）は、比較例を示す図である。

【図4】実施の形態に係る極低温フィードスルー構造に働きうる熱応力の計算結果の例を示すグラフである。

【図5】実施の形態に係る極低温フィードスルー構造に使用されうるいくつかの材料について熱収縮を示すグラフである。

【図6】図１に示される極低温フィードスルー構造の他の使用例を示す概略断面図である。

【図7】実施の形態に係る極低温フィードスルー構造のための気密試験装置を示す概略図である。

【図8】図８（ａ）から図８（ｃ）は、極低温フィードスルー構造の変形例を概略的に示す図である。

【図9】実施の形態に係る極低温装置を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0012】

図１は、実施の形態に係る極低温フィードスルー構造１０を示す概略断面図である。図２は、実施の形態に係る極低温フィードスルー構造１０を示す概略斜視図である。

【0013】

極低温フィードスルー構造１０は、金属導体１２と絶縁樹脂部材１４を備え、極低温圧力容器５０に装着可能である。極低温フィードスルー構造１０は、極低温圧力容器５０とともに極低温冷却される。

【0014】

詳細は後述するが、金属導体１２は、絶縁樹脂部材１４を貫通して極低温圧力容器５０の中から外へと延びる。絶縁樹脂部材１４は、極低温圧力容器５０の外側に隣接して配置され、極低温圧力容器５０に気密に装着される。金属導体１２は、その外周面で絶縁樹脂部材１４に接合され、極低温冷却された状態でこの接合が保持される。

【0015】

極低温圧力容器５０は、液体ヘリウム温度、または液体窒素温度、またはその他の冷却温度に冷却され、高圧に加圧された極低温冷媒を収容する。よって、極低温圧力容器５０の内部には、極低温高圧環境５８が保たれている。極低温冷媒の圧力は、例えば、大気圧より高く、または０．５ＭＰａ、または１ＭＰａ、または２ＭＰａより高くてもよい。極低温冷媒の圧力は、３ＭＰａまたは４ＭＰａより低くてもよい。

【0016】

周囲環境１８は、極低温圧力容器５０内の圧力より低圧であり、例えば、真空環境、または大気圧環境である。周囲環境１８の温度は、例えば、室温である。あるいは、周囲環境１８も極低温に冷却されてもよい。

【0017】

金属導体１２は、極低温高圧環境５８に配置された例えば超伝導コイルなどの大電流機器またはその他の内部機器４０を、周囲環境１８に配置されたコイル電源またはその他の外部機器４２に電気的に接続する。金属導体１２は、極低温高圧環境５８から極低温フィードスルー構造１０を通じて周囲環境１８へと引き出されている。

【0018】

金属導体１２は、例えば円柱状またはその他の形状をもつロッドであり、その側面（外周面）の一部に絶縁樹脂部材１４が接合される。金属導体１２は、絶縁樹脂部材１４の中心線に沿って延びている。金属導体１２は、極低温圧力容器５０の壁に形成されている導体挿通孔５１を挿通するが、極低温圧力容器５０の壁とは接触していない。

【0019】

取付を容易にするために、この実施の形態では、極低温圧力容器５０の中に配置される金属導体１２の端部には、内部配線取付部１２ａが設けられ、極低温圧力容器５０の外に配置される金属導体１２の端部には、外部配線取付部１２ｂが設けられる。内部配線取付部１２ａには、内部機器４０に接続される内部配線４１が取り付けられる。内部機器４０が超伝導コイルである場合、内部配線４１は超伝導線材で形成される超伝導電流リードを含んでもよい。外部配線取付部１２ｂには、外部機器４２に接続される外部配線４３が取り付けられる。

【0020】

内部配線取付部１２ａへの内部配線４１の取付、また外部配線取付部１２ｂへの外部配線４３の取付は、例えば、ボルトやリベットなど締結部材１６による機械的接合が用いられる。内部配線取付部１２ａ、外部配線取付部１２ｂ、内部配線４１、外部配線４３には、締結部材１６を取り付けるための締結穴１７が形成されている。なお、内部配線４１、外部配線４３は溶接など他の適宜の接合手段により金属導体１２に接合されてもよい。また、金属導体１２の端部が内部機器４０及び／または外部機器４２に直接接続されてもよい。

【0021】

金属導体１２は、例えば、黄銅、アルミニウム（またはアルミニウム合金）、銅、ステンレス鋼、鉄のいずれか、またはこれらの合金など、導電性金属材料で形成される。金属導体１２は、使用される冷却温度（例えば、液体ヘリウム温度、または液体窒素温度）で低温脆性の起こらない（または起こりにくい）材料で形成されることが好ましい。

【0022】

なお、極低温フィードスルー構造１０は、その他の機器間の接続に使用されてもよい。例えば、内部機器４０は、温度センサまたはその他の計測器であってもよく、金属導体１２を通じて外部機器４２に、例えば給電及び／または通信のために電気的に接続されてもよい。

【0023】

絶縁樹脂部材１４は、第１端面１４ａと、第２端面１４ｂと、第１端面１４ａを第２端面１４ｂにつなぐ外周面１４ｃとを有する。絶縁樹脂部材１４は、第１端面１４ａを極低温圧力容器５０の外壁面に接触させた状態で極低温圧力容器５０に気密に装着されている。第２端面１４ｂは、第１端面１４ａとは反対側にあり極低温圧力容器５０の外に配置されている。絶縁樹脂部材１４の外周面１４ｃは、第２端面１４ｂと同様に、極低温圧力容器５０の外に露出される。第２端面１４ｂと外周面１４ｃは、周囲環境１８にさらされている。絶縁樹脂部材１４は、例えば、円柱状または円板状の部材であり、第１端面１４ａと第２端面１４ｂは、例えば、ともに円形の形状を有し、両者の直径は等しくてもよい。

【0024】

第１端面１４ａは、極低温圧力容器５０の外壁面に接触する平坦面であり、第１端面１４ａと極低温圧力容器５０の外壁面は面接触する。なお、必要とされる場合には、第１端面１４ａは、凹部及び／または凸部を有してもよい。例えば極低温圧力容器５０の外壁面が何らかの凹部、凸部を有する場合、第１端面１４ａは、対応する凸部、凹部を有してもよい。第２端面１４ｂは、例えば平坦面であり、必要に応じて、凹部及び／または凸部を有してもよい。

【0025】

また、絶縁樹脂部材１４は、金属導体１２との接合面１４ｄを有する。接合面１４ｄは、金属導体１２と絶縁樹脂部材１４との界面であり、絶縁樹脂部材１４の中心線に沿って第１端面１４ａから第２端面１４ｂへと円筒状に延びている。

【0026】

極低温フィードスルー構造１０の製造工程において、絶縁樹脂部材１４を形成する絶縁樹脂材料は、液体またはペーストとして用意され、金属導体１２の周囲で成形され例えば室温または加熱下で硬化され、金属導体１２に接着により接合される。こうして絶縁樹脂部材１４は接合面１４ｄを形成する。絶縁樹脂材料は、極低温下においても接着能力を有し、金属導体１２と絶縁樹脂部材１４との接合は極低温冷却された状態（例えば、液体ヘリウム温度、または液体窒素温度、またはその他の冷却温度）で保持される。絶縁樹脂部材１４は、使用される冷却温度で低温脆性の起こらない（または起こりにくい）樹脂材料で形成されることが好ましい。

【0027】

絶縁樹脂部材１４を形成する絶縁樹脂材料は、例えば、極低温に適合した接着剤である。絶縁樹脂部材１４は、例えばセラミックスまたは他の材料の微粉を配合した樹脂材料（例えばエポキシ樹脂）または接着剤で形成されてもよい。こうした微粉は、極低温冷却されるときの絶縁樹脂部材１４の熱収縮量を金属導体１２のそれと同程度に合わせるために用いられる。絶縁樹脂部材１４として使用可能な極低温用接着剤の代表例としては、Ｅｍｅｒｓｏｎ＆Ｃｕｍｉｎｇ社製のＳＴＹＣＡＳＴ（スタイキャスト）のような粒子分散型複合エポキシ樹脂接着剤（例えば、スタイキャスト２８５０）、日東シンコー社製のニトフィックス（登録商標）のような二液混合型エポキシ樹脂接着剤が挙げられる。

【0028】

絶縁樹脂部材１４は、金属導体１２のまわりに形成された複数の締結穴２０を有し、各締結穴２０には締結部材２２が締結可能であり、締結部材２２によって絶縁樹脂部材１４が極低温圧力容器５０に気密に締結される。締結穴２０は、第２端面１４ｂから第１端面１４ａへと絶縁樹脂部材１４を貫通している。締結部材２２は、例えばボルトであり、締結穴２０は、例えばボルト穴である。図２に示されるように、締結穴２０は、例えば６個であるが、数はとくに限定されない。機械的な締結手段を用いるので、ろう付け、溶接、接着など他の接合手段を用いるのに比べて、極低温圧力容器５０への極低温フィードスルー構造１０の装着、取り外し、交換が容易である。

【0029】

第１端面１４ａにおける絶縁樹脂部材１４の外径Ｄｏに対する接合面１４ｄの直径Ｄｉの比（以下適宜、半径比ｎ（＝Ｄｉ／Ｄｏ）と称する）は、例えば、０．５以下であってもよい。言い換えれば、第１端面１４ａにおける絶縁樹脂部材１４の外径Ｄｏが、接合面１４ｄの直径Ｄｉの２倍以上であり、すなわち絶縁樹脂部材１４は厚肉である。好ましくは、半径比ｎは、例えば０．３以下または０．２以下であってもよい。

【0030】

絶縁樹脂部材１４をこのような寸法とすることにより、第１端面１４ａを極低温圧力容器５０に接触させた状態で極低温圧力容器５０に気密に装着することが容易になる。例えば、第１端面１４ａに締結穴２０を形成することが容易になる。ろう付けなど他の接合手段を用いる場合においても、接触面積が増えるので、フィードスルー取付フランジ５６への極低温フィードスルー構造１０の接合が容易になる。また、絶縁樹脂部材１４を比較的厚肉とすることにより、配線が薄肉管を挿通する典型的なフィードスルー部品と比較して、向上された耐圧性を有する。

【0031】

また、半径比ｎは、例えば、０．０５以上であってもよい。好ましくは、半径比ｎは、例えば０．１以上であってもよい。このようにすれば、絶縁樹脂部材１４が過剰に厚肉となること、および、接合面１４ｄが小さくなりすぎる（すなわち金属導体１２が細くなりすぎる）ことを避けることができる。

【0032】

極低温用シール部材２４が、絶縁樹脂部材１４と極低温圧力容器５０の間に設けられている。極低温用シール部材２４は、第１端面１４ａと極低温圧力容器５０の壁面に挟まれ、極低温冷媒が周囲環境１８に漏れ出さないようにシールする。極低温用シール部材２４は、絶縁樹脂部材１４が極低温圧力容器５０に装着されたとき、締結穴２０（すなわち締結部材２２）の内側で接合面１４ｄを囲むように配置される。極低温用シール部材２４は、例えばメタルＯリングであり、または極低温に適合したガスケットその他のシール部材であってもよい。極低温用シール部材２４は、第１端面１４ａに装着されているが、これに代えて、極低温圧力容器５０の壁面に装着されていてもよい。

【0033】

図３（ａ）は、実施の形態に係る極低温フィードスルー構造１０において金属導体１２と絶縁樹脂部材１４の界面に働く応力を示す模式図であり、図３（ｂ）は、比較例を示す図である。

【0034】

極低温フィードスルー構造１０が室温から極低温に冷却されるとき、金属導体１２と絶縁樹脂部材１４はそれぞれ熱収縮する。一般に、金属材料と樹脂材料では樹脂材料のほうが大きく収縮する。そのため、接合面１４ｄには、図３（ａ）に矢印で示すように、径方向の圧縮応力２６が発生する。圧縮応力２６は、接合面１４ｄにおいて生じうる金属導体１２と絶縁樹脂部材１４の剥離を抑制するように作用する。したがって、金属導体１２と絶縁樹脂部材１４の接合が極低温冷却された状態で保持される。よって、実施の形態に係る極低温フィードスルー構造１０によれば、金属導体１２と絶縁樹脂部材１４の剥離が抑制され、極低温フィードスルー構造１０は気密性を維持できる。

【0035】

また、図３（ｂ）に示される比較例（後述）とは異なり、実施の形態に係る極低温フィードスルー構造１０では、絶縁樹脂部材１４の外周面１４ｃが極低温圧力容器５０の外に露出される。絶縁樹脂部材１４の外側に金属筒など金属部材は接着されていない。

【0036】

図３（ｂ）に示される比較例では、金属製のフィードスルー部材２８が中心に貫通孔を有し、この貫通孔にリード線などの導線３０が挿通されるとともに絶縁樹脂３２が充填され、それにより導線３０がフィードスルー部材２８に固定される。この場合、金属製のフィードスルー部材２８と絶縁樹脂３２の界面３４には、極低温冷却により熱収縮するとき絶縁樹脂３２がフィードスルー部材２８に比べて大きく収縮し、径方向の引張応力３６が発生する。この熱応力よりも絶縁樹脂３２の引張接着強度がもし低ければ、絶縁樹脂３２はフィードスルー部材２８から剥離し、気密性が損なわれうる。

【0037】

図４は、実施の形態に係る極低温フィードスルー構造１０に働きうる熱応力σｓの計算結果の例を示すグラフである。図４に示される４つの曲線はそれぞれ、実施例１から実施例４について金属導体１２と絶縁樹脂部材１４との接合面１４ｄに働く熱応力σｓを計算し、上述の半径比ｎ（＝Ｄｉ／Ｄｏ）をパラメータとして描いたものである。

【0038】

実施例１から実施例４はそれぞれ、極低温フィードスルー構造１０の形状と寸法は同じとしているが、金属導体１２と絶縁樹脂部材１４の材料が異なる。実施例１では、金属導体１２がアルミニウムで形成され、絶縁樹脂部材１４がニトフィックスで形成されている。実施例２では、金属導体１２が銅で形成され、絶縁樹脂部材１４がニトフィックスで形成されている。実施例３では、金属導体１２がアルミニウムで形成され、絶縁樹脂部材１４がスタイキャストで形成されている。実施例４では、金属導体１２が銅で形成され、絶縁樹脂部材１４がスタイキャストで形成されている。

【0039】

ここで、熱応力σｓは、
σｓ＝（Ａｏ－Ａｉ）Ｂ
により計算される。

【0040】

Ａｏは、絶縁樹脂部材１４を形成する材料についての材料長さ比、Ａｉは、金属導体１２を形成する材料についての材料長さ比を示す。「材料長さ比」とは、その材料のサンプルの３００Ｋでの基準長さＬ_３００に対する０Ｋでの基準長さＬ_０の比（すなわち、Ｌ_０／Ｌ_３００）と定義しうる。室温から液体窒素温度に冷却されるときの熱収縮の大きさは、たいてい、室温から約０Ｋに冷却されるときの熱収縮の大きさのおよそ９割に達するので、０Ｋでの基準長さＬ_０に代えて、「材料長さ比」は、液体窒素温度（７７Ｋ）での基準長さＬ_７７を用いて、Ｌ_７７／Ｌ_３００と定義してもよい。すなわち、材料サンプルは３００Ｋで基準長さＬ_３００を有し、この基準長さが７７Ｋに冷却されたとき長さＬ_７７に縮小する。よって、材料長さ比は、材料サンプルの長さを室温と極低温で測定することにより、取得することができる。

【0041】

また、上式のＢは、

【数1】

により計算される。ここで、Ｅｏ、νｏはそれぞれ、絶縁樹脂部材１４を形成する材料についてのヤング率とポアソン比を示し、Ｅｉ、νｉはそれぞれ、金属導体１２を形成する材料についてのヤング率とポアソン比を示す。これらの弾性定数が既知でない場合には、極低温下で材料サンプルの引張（圧縮）とひずみの関係を測定することによって得られる。

【0042】

図４において、応力が正の値である場合、接合面１４ｄに引張応力が働くことを示し、応力が負の値である場合、接合面１４ｄに圧縮応力が働くことを示す。図４に示される計算結果によれば、実施例１（アルミニウム／ニトフィックス）、実施例２（銅／ニトフィックス）、実施例４（銅／スタイキャスト）については、接合面１４ｄに圧縮応力が働くことがわかる。極低温フィードスルー構造１０が室温から極低温冷却されるとき、実施例１では、半径比ｎが約０．１～約０．４の範囲で約５ＭＰａ～約４ＭＰａの圧縮応力が接合面１４ｄに働く。実施例２では、約６ＭＰａ～約５ＭＰａの圧縮応力、実施例４では、約０．５ＭＰａの圧縮応力が働く。図３（ａ）を参照して説明したように、圧縮応力は金属導体１２と絶縁樹脂部材１４の剥離を抑制し、極低温フィードスルー構造１０の気密性を維持することに役立つ。

【0043】

なお、これらの実施例で使用される絶縁樹脂材料の圧縮強度は数百ＭＰａに達する。したがって、図４に示されるように数ＭＰａの圧縮応力が接合面１４ｄに働いたとしても、それによる材料の破壊は起こり得ないと考えられる。

【0044】

一方、実施例３（アルミニウム／スタイキャスト）については、極低温フィードスルー構造１０が室温から極低温冷却されるとき、金属導体１２と絶縁樹脂部材１４の接合面１４ｄには、半径比ｎが約０．１～約０．４の範囲で約０．５ＭＰａの引張応力が働く。しかし、一般に、剥離が発生するとき接合面に生じる引張応力は、１００ＭＰａのオーダである。実施例３における引張応力はこれの百分の一以下にすぎない。したがって、実施例３において剥離が発生する可能性はほとんどなく、実施例３も利用可能である。

【0045】

図５は、実施の形態に係る極低温フィードスルー構造１０に使用されうるいくつかの材料について熱収縮を示すグラフである。図５には、ある材料のサンプルが有する２９３Ｋ、ＴＫでの基準長さをそれぞれＬ_２９３、Ｌ_Ｔと表記する（すなわち材料サンプルは２９３Ｋで基準長さＬ_２９３を有し、この基準長さがＴＫに冷却されたとき長さＬ_Ｔに縮小する）とき、（Ｌ_２９３－Ｌ_Ｔ）／Ｌ_２９３と表される熱収縮の大きさが示されている。

【0046】

図５から理解されるように、例えば１００Ｋ以下の極低温領域において、スタイキャスト２８５０ＧＴの熱収縮は、かなり大きい。アルミニウムの熱収縮は、スタイキャスト２８５０ＧＴに比べて、やや大きい。したがって、実施例３のように、金属導体１２がアルミニウムで形成され、絶縁樹脂部材１４がスタイキャストで形成される場合には、極低温冷却による熱収縮は、絶縁樹脂部材１４に比べて金属導体１２のほうがやや大きく、接合面１４ｄに引張応力が働くことになる。

【0047】

また、銅の熱収縮は、スタイキャスト２８５０ＧＴに比べて小さい。したがって、実施例４のように、金属導体１２が銅で形成され、絶縁樹脂部材１４がスタイキャストで形成される場合には、金属導体１２に比べて絶縁樹脂部材１４のほうが大きく、接合面１４ｄに圧縮応力が働くことになる。図５によると、ステンレス鋼の熱収縮の大きさは、銅と同程度であるか、銅よりやや小さい。よって、金属導体１２が例えばステンレス鋼で形成される場合にも、接合面１４ｄに圧縮応力が働くことになる。

【0048】

図６は、図１に示される極低温フィードスルー構造１０の他の使用例を示す概略断面図である。図６に示されるように、極低温フィードスルー構造１０が装着される極低温圧力容器５０は、圧力容器本体５２と、圧力容器本体５２から延び、フィードスルー取付フランジ５６を有する高圧配管５４とを有する。フィードスルー取付フランジ５６は、高圧配管５４の先端に設けられている。絶縁樹脂部材１４がフィードスルー取付フランジ５６に装着可能とされている。

【0049】

金属導体１２は、極低温高圧環境５８から、高圧配管５４および極低温フィードスルー構造１０を通じて、周囲環境１８へと引き出されている。金属導体１２は、高圧配管５４およびフィードスルー取付フランジ５６とは接触していない。絶縁樹脂部材１４は、第１端面１４ａをフィードスルー取付フランジ５６に接触させた状態で極低温圧力容器５０に気密に装着されている。第１端面１４ａは、フィードスルー取付フランジ５６の端面に接触する平坦面であり、第１端面１４ａとフィードスルー取付フランジ５６は面接触する。第１端面１４ａは、金属導体１２のまわりに形成された複数の締結穴２０を有し、各締結穴２０には締結部材２２が締結可能であり、締結部材２２によって絶縁樹脂部材１４がフィードスルー取付フランジ５６に気密に締結される。また、極低温用シール部材２４が、絶縁樹脂部材１４とフィードスルー取付フランジ５６の間に設けられている。

【0050】

なお、絶縁樹脂部材１４が円柱形状を有する場合を例として説明したが、これに限られない。絶縁樹脂部材１４の２つの端面は異なる大きさであってもよく、例えば、第２端面１４ｂが第１端面１４ａより直径が小さくてもよい。絶縁樹脂部材１４には、第１端面１４ａを有するフランジ部が形成され、このフランジ部がフィードスルー取付フランジ５６に取り付けられてもよい。

【0051】

あるいは、絶縁樹脂部材１４は、円すい台状であってもよい。２つの端面が円形であることも、必須ではない。例えば、第２端面１４ｂは、矩形その他の形状であってもよい。

【0052】

図７は、実施の形態に係る極低温フィードスルー構造１０のための気密試験装置を示す概略図である。フィードスルー気密試験装置６０は、高圧ガス源６２、ガスリーク検査装置６４、極低温冷却槽６６を備える。金属導体１２は、絶縁樹脂部材１４の第１端面１４ａから第２端面１４ｂへと絶縁樹脂部材１４を貫通し、絶縁樹脂部材１４は、第１端面１４ａで高圧ガス源６２に気密に装着可能であり、第２端面１４ｂでガスリーク検査装置６４に気密に装着可能である。

【0053】

高圧ガス源６２は、例えば、高圧ヘリウムガスのタンクであり、タンク出口に設けられたバルブなどの圧力調整器６２ａ、安全弁６２ｂ、および高圧側取付フランジ６２ｃを介して、極低温フィードスルー構造１０に接続される。絶縁樹脂部材１４の第１端面１４ａが高圧側取付フランジ６２ｃに気密に装着される。すなわち、図１に示される極低温圧力容器５０の代わりに、高圧ガス源６２および高圧側取付フランジ６２ｃが絶縁樹脂部材１４に装着されている。

【0054】

ガスリーク検査装置６４は、例えば、ヘリウムリークディテクタであり、バルブ６７および低圧側取付フランジ６８を介して、極低温フィードスルー構造１０に接続される。バルブ６７と低圧側取付フランジ６８の間で分岐した配管にポンプ６９が接続されていてもよい。

【0055】

絶縁樹脂部材１４は、第２端面１４ｂでガスリーク検査装置６４に気密に装着可能である。極低温圧力容器５０に実際に装着した状態で極低温フィードスルー構造１０の気密試験を行うのは、試験装置が大がかりになるため、容易でない。仮に、そうした大がかりな試験装置によってリークが発見されたとしても、すでに装着されているため、新たな極低温フィードスルー構造１０との交換には手間がかかる。しかし、実施の形態によれば、極低温圧力容器５０への装着前に極低温フィードスルー構造１０の気密試験を単体で容易に行うことができ、都合がよい。気密試験に合格し、リークが発生しないことが保証された極低温フィードスルー構造１０を選んで、実機に装着することができる。

【0056】

絶縁樹脂部材１４は、第２端面１４ｂを低圧側取付フランジ６８に接触させた状態でガスリーク検査装置６４に気密に装着されている。第２端面１４ｂは、金属導体１２のまわりに形成された複数の締結穴２０を有し、各締結穴２０には締結部材２２が締結可能であり、締結部材２２によって絶縁樹脂部材１４が低圧側取付フランジ６８に気密に締結される。締結穴２０は、第１端面１４ａから第２端面１４ｂへと絶縁樹脂部材１４を貫通している。ただし、これは必須ではなく、第１端面１４ａの締結穴２０と第２端面１４ｂの締結穴２０は、相互に接続されていなくてもよい。

【0057】

極低温冷却槽６６は、例えば液体窒素などの極低温冷媒で満たされ、その中に極低温フィードスルー構造１０が高圧側取付フランジ６２ｃおよび低圧側取付フランジ６８とともに浸されている。極低温フィードスルー構造１０は、液体窒素温度または冷媒の冷却温度に冷却される。なお、極低温冷却槽６６に代えて、極低温フィードスルー構造１０は、例えばＧＭ冷凍機などの極低温冷凍機によって冷却されてもよい。

【0058】

図８（ａ）から図８（ｃ）は、極低温フィードスルー構造１０の変形例を概略的に示す図である。図８（ａ）に示されるように、極低温フィードスルー構造１０は、離脱防止形状７０を備えてもよい。離脱防止形状７０は、金属導体１２の外周面に設けられ、絶縁樹脂部材１４と係合する。離脱防止形状７０は、金属導体１２から径方向外向きに延びる少なくとも１つの円板状または多角形状の鍔状部分であってもよい。こうした鍔状部分は金属導体１２の長手方向に間隔をあけて複数設けられてもよく、図８（ａ）では、一例として、２枚の鍔状部分が設けられている。

【0059】

金属導体１２には、極低温高圧環境５８の圧力により第１端面１４ａから第２端面１４ｂに向かう方向に力が作用する。そのため、もし、図１に示されるように接合面１４ｄが第１端面１４ａから第２端面１４ｂまで一定の径を有する（つまり金属導体１２が円柱である）場合には、接合面１４ｄで金属導体１２が絶縁樹脂部材１４から万が一剥離したとき、金属導体１２に働く力によって、金属導体１２が第２端面１４ｂから周囲環境１８に離脱するリスクがある。極低温高圧環境５８と周囲環境１８の圧力差が大きい場合には、金属導体１２が絶縁樹脂部材１４から剥離した瞬間に高速で第２端面１４ｂから飛び出すことになるかもしれない。

【0060】

しかしながら、図８（ａ）に示されるように、金属導体１２には離脱防止形状７０が設けられ、接合面１４ｄに凹凸が形成されているので、万が一、接合面１４ｄで金属導体１２が絶縁樹脂部材１４から剥離したとしても、金属導体１２は絶縁樹脂部材１４と係合する。したがって、金属導体１２が第２端面１４ｂから周囲環境１８に離脱する（飛び出す）のを避けることができる。

【0061】

金属導体１２に設けられる離脱防止形状７０は、種々の形状をとりうる。例えば、図８（ｂ）に示されるように、離脱防止形状７０は、円錐状またはその他の錐状の形状など、円板状とは異なる形状を有してもよい。離脱防止形状７０は、金属導体１２の外周面に設けられるどのような突起でもよい。図８（ｃ）に示されるように、離脱防止形状７０は、金属導体１２の外周面に設けられる溝など凹部を有してもよい。

【0062】

図９は、実施の形態に係る極低温装置を示す概略図である。極低温冷却システム１００は、冷却ガス（例えば、上述の極低温冷媒）を循環させることによって被冷却物、例えば超伝導コイル１０２を目的の温度に冷却するように構成された循環冷却システムである。冷却ガスは、例えばヘリウムガスがよく用いられるが、冷却温度に応じた適切なそのほかのガスが利用されることもありうる。

【0063】

極低温圧力容器であるコイルケース１０４は、加圧された極低温冷媒とともに超伝導コイル１０２を収容し、極低温冷媒によって極低温冷却される。コイルケース１０４は、フィードスルー取付フランジ５６を有し、極低温フィードスルー構造１０が装着されている。極低温フィードスルー構造１０は、極低温冷媒によってコイルケース１０４とともに極低温冷却される。上述のように、絶縁樹脂部材１４がフィードスルー取付フランジ５６に装着されている。コイルケース１０４および極低温フィードスルー構造１０は、真空容器１０６に収容されている。

【0064】

超伝導コイル１０２は、例えば超伝導電流リードなどの内部配線４１に接続され、内部配線４１は、金属導体１２に接続される。金属導体１２は、極低温フィードスルー構造１０を通じてコイルケース１０４から引き出される。金属導体１２は、外部配線４３に接続され、外部配線４３は、真空フィードスルー１１０を通じて真空容器１０６の外に引き出されている。

【0065】

極低温冷却システム１００は、冷媒循環装置１１２と、コイルケース流路１１８を含む冷却ガス流路１１４と、極低温冷凍機１２２と、熱交換器１３０とを備える。冷却ガス流路１１４は、ガス供給ライン１１６、ガス回収ライン１２０、流量制御バルブ１３２、冷凍機供給ライン１３４、冷凍機回収ライン１３６をさらに備える。極低温冷凍機１２２は、冷凍機ステージ１２８を有するコールドヘッド１２６を備える。冷凍機ステージ１２８と熱交換器１３０は、コイルケース１０４と同様に、真空容器１０６の中に配置されている。

【0066】

冷媒循環装置１１２は、例えば、ヘリウムガスの圧縮機であり、コイルケース流路１１８と極低温冷凍機１２２の両方にガスを循環させる。冷媒循環装置１１２は、真空容器１０６の外に配置されている。冷媒循環装置１１２から送出された冷却ガスは、ガス供給ライン１１６を通じて真空容器１０６の内部に供給される。

【0067】

熱交換器１３０は、ガス供給ライン１１６とガス回収ライン１２０との間で、それぞれを流れる冷却ガスが互いに熱交換をするように構成されている。ガス供給ライン１１６を流れる冷却ガスは、ガス回収ライン１２０を流れる冷却ガスによって予冷される。熱交換器１３０は、極低温冷却システム１００の冷却効率を向上するのに役立つ。

【0068】

熱交換器１３０によって予冷された冷却ガスは、冷凍機ステージ１２８によってさらに冷却され、コイルケース流路１１８へと流れる。コイルケース流路１１８は、超伝導コイル１０２の円環状の形状に合わせて円環状の流路となっている。コイルケース流路１１８を流れる冷却ガスは、超伝導コイル１０２を冷却し、ガス回収ライン１２０へと流れる。冷却ガスは、ガス回収ライン１２０から冷媒循環装置１１２に回収され、再びガス供給ライン１１６に送出される。

【0069】

この場合、流量制御バルブ１３２は、コイルケース流路１１８に流れる冷却ガス流量を制御するために設けられている。流量制御バルブ１３２は、真空容器１０６の外においてガス供給ライン１１６に設置されている。あるいは、流量制御バルブ１３２は、真空容器１０６の外においてガス回収ライン１２０に設置されてもよい。このようにすれば、汎用の流量制御弁を流量制御バルブ１３２として採用することができ、流量制御バルブ１３２を真空容器１０６の中に設置する場合に比べて製造コストの点で有利である。ただし、流量制御バルブ１３２は真空容器１０６の中に設置されてもよい。

【0070】

冷媒循環装置１１２から極低温冷凍機１２２に作動ガスを供給するために冷凍機供給ライン１３４が設けられ、極低温冷凍機１２２から冷媒循環装置１１２に作動ガスを回収するために冷凍機回収ライン１３６が設けられている。冷凍機供給ライン１３４は、真空容器１０６の外においてガス供給ライン１１６から分岐してコールドヘッド１２６に接続し、冷凍機回収ライン１３６は、真空容器１０６の外においてガス回収ライン１２０から分岐してコールドヘッド１２６に接続している。

【0071】

冷媒循環装置１１２とコールドヘッド１２６により作動ガスの循環回路すなわち極低温冷凍機１２２の冷凍サイクルが構成され、それにより冷凍機ステージ１２８が冷却される。極低温冷凍機１２２は、一例として、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかの極低温冷凍機であってもよい。

【0072】

冷媒循環装置１１２からコールドヘッド１２６に供給される作動ガスの圧力と、コールドヘッド１２６から冷媒循環装置１１２に回収される作動ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２～３ＭＰａである。低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。したがって、冷媒循環装置１１２からコイルケース１０４に供給される冷却ガスの圧力も、大気圧よりかなり高く、例えば２～３ＭＰａであってもよい。

【0073】

このようにして、超伝導コイル１０２を冷却する極低温冷却システム１００を提供することができる。また、極低温フィードスルー構造１０を使用して、超伝導コイル１０２に接続される電気配線をコイルケース１０４内からコイルケース１０４の外に引き出すことができる。

【0074】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0075】

上述の実施の形態では、極低温フィードスルー構造１０は、１本の金属導体１２が絶縁樹脂部材１４に接合されている。しかし、極低温フィードスルー構造１０は、複数本の金属導体１２を備え、各金属導体１２が絶縁樹脂部材１４を貫通して極低温圧力容器５０の中から外へと延びてもよい。複数本の金属導体１２は、径方向に互いに間隔を空けて配置される。例えば、極低温フィードスルー構造１０は、２本の金属導体１２を有し、一方が正極側の電流リードに接続され、他方が負極側の電流リードに接続されてもよい。

【0076】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0077】

１０ 極低温フィードスルー構造、 １２ 金属導体、 １４ 絶縁樹脂部材、 １４ａ 第１端面、 １４ｂ 第２端面、 １４ｃ 外周面、 ２０ 締結穴、 ２２ 締結部材、 ２６ 圧縮応力、 ３２ 絶縁樹脂、 ５０ 極低温圧力容器、 ６２ 高圧ガス源、 ６４ ガスリーク検査装置、 ７０ 離脱防止形状。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】