特許 7512120 極低温冷却システム及び超電導磁石装置

(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】2024-06-28

(45)【発行日】2024-07-08

(54)【発明の名称】極低温冷却システム及び超電導磁石装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/04 20060101AFI20240701BHJP

   H10N 60/81 20230101ALI20240701BHJP

【ＦＩ】

H01F6/04

H10N60/81

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020132035

(22)【出願日】2020-08-03

(65)【公開番号】P2022028554

(43)【公開日】2022-02-16

【審査請求日】2023-02-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 政彦

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 寛史

【審査官】久保田 昌晴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１３３５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１８８０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４８７３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２３５６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３２１４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１８０６２５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ６／００－６／０６

Ｈ１０Ｎ ６０／８０－６０／８１

Ａ６１Ｂ ５／０５５

Ｇ０１Ｒ ３３／３８１５

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｆ２８Ｄ １５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却源と、第１被冷却物と、第２被冷却物と、前記第１被冷却物と熱的に接続する第１伝熱部材と、前記第２被冷却物及び前記第１伝熱部材を熱的に接続する合流部と、前記冷却源及び前記合流部を熱的に接続する第２伝熱部材とを有し、
前記第１被冷却物及び前記第２被冷却物から前記冷却源へ向って、前記合流部及び前記第２伝熱部材を介して、前記第１被冷却物の熱量及び前記第２被冷却物の熱量が合流して流れて、前記第１被冷却物及び前記第２被冷却物を伝導冷却方式で冷却する極低温冷却システムであって、
熱量の合流前の前記第１伝熱部材の断面積をＳａ、伝熱量をＱａとし、熱量の合流後の前記第２伝熱部材の断面積をＳｃ、伝熱量をＱｃとしたとき、前記第１伝熱部材、前記第２伝熱部材の断面積の２乗と伝熱量の比における熱量の合流前後の比率(Ｓａ^２／Ｑａ)／(Ｓｃ^２／Ｑｃ)が、
０．７＜(Ｓａ^２／Ｑａ)／(Ｓｃ^２／Ｑｃ)＜１．５
に設定されて構成されたことを特徴とする極低温冷却システム。

【請求項2】

熱量の合流後の前記第２伝熱部材の単位断面積当たりの伝熱量（Ｑｃ／Ｓｃ）が、熱量の合流前の前記第１伝熱部材の単位断面積当たりの伝熱量（Ｑａ／Ｓａ）よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。

【請求項3】

熱量の合流後の前記第２伝熱部材の断面積が、熱量の合流前の前記第１伝熱部材の断面積よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却システム。

【請求項4】

前記冷却源が、極低温冷凍機、液体ヘリウムまたは液体窒素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の極低温冷却システム。

【請求項5】

前記第１伝熱部材及び前記第２伝熱部材が、高純度アルミニウムと高純度銅の少なくとも一方にて構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の極低温冷却システム。

【請求項6】

前記第１被冷却物、前記第２被冷却物が、超電導コイル、超電導素子または電流リードであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の極低温冷却システム。

【請求項7】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載の極低温冷却システムにおける被冷却物が、超電導コイルを含んで構成されたことを特徴とする超電導磁石装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、伝導冷却方式の極低温冷却システム及び超電導磁石装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の超電導磁石は４Ｋ程度の極低温に冷却する必要があり、古くは液体ヘリウムで冷却されることが一般的であった。その後、４Ｋまで冷却可能な小型冷凍機の開発により、冷凍機のみで冷却する方式が開発された。一方で高温超電導体の発見により、これを用いて１０Ｋ程度に冷却する方式も開発されている。

【0003】

このような伝導冷却方式の極低温冷却システムでは、超電導コイルと冷凍機の間の温度差を低減することが重要であり、伝熱板の材質として、熱伝導率の高い高純度アルミニウムや高純度銅が使われている。特に、高純度アルミニウムは磁場中での熱伝導率の低下が少なく、近年の伝導冷却式超電導磁石装置では多用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平７－１４２２４２号公報

【文献】特開平８－１７２０１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の極低温冷却システムにおいては、高純度アルミニウムが多用されているが、この高純度アルミニウムは高価であり、超電導磁石装置のコストを押し上げる要因の一つになっている。この高純度アルミニウムの使用物量の削減が課題である。

【0006】

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、冷却源と被冷却物を熱的に接続する伝熱部材の使用物量を低減してコストを削減できる極低温冷却システム及び超電導磁石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】

【0007】

本発明の実施形態における極低温冷却システムは、冷却源と、第１被冷却物と、第２被冷却物と、前記第１被冷却物と熱的に接続する第１伝熱部材と、前記第２被冷却物及び前記第１伝熱部材を熱的に接続する合流部と、前記冷却源及び前記合流部を熱的に接続する第２伝熱部材とを有し、前記第１被冷却物及び前記第２被冷却物から前記冷却源へ向って、前記合流部及び前記第２伝熱部材を介して、前記第１被冷却物の熱量及び前記第２被冷却物の熱量が合流して流れて、前記第１被冷却物及び前記第２被冷却物を伝導冷却方式で冷却する極低温冷却システムであって、熱量の合流前の前記第１伝熱部材の断面積をＳａ、伝熱量をＱａとし、熱量の合流後の前記第２伝熱部材の断面積をＳｃ、伝熱量をＱｃとしたとき、前記第１伝熱部材、前記第２伝熱部材の断面積の２乗と伝熱量の比における熱量の合流前後の比率(Ｓａ^２／Ｑａ)／(Ｓｃ^２／Ｑｃ)が、０．７＜(Ｓａ^２／Ｑａ)／(Ｓｃ^２／Ｑｃ)＜１．５に設定されて構成されたことを特徴とするものである。

【0008】

また、本発明の実施形態における超電導磁石装置は、前記実施形態に記載の極低温冷却システムにおける被冷却物が、超電導コイルを含んで構成されたことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態によれば、冷却源と被冷却物を熱的に接続する伝熱部材の使用物量を低減してコストを削減できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態に係る極低温冷却システムが適用された超電導磁石装置を示す構成図。

【図2】図１の伝熱量の流れを伝熱板等と共に示す模式図。

【図3】伝熱板の伝熱量、断面積、体積等を伝熱板毎に表したケース１の場合の図表。

【図4】伝熱板の伝熱量、断面積、体積等を伝熱板毎に表したケース２の場合の図表。

【図5】伝熱板の伝熱量、断面積、体積等を伝熱板毎に表したケース３の場合の図表。

【図6】熱量の合流前後の伝熱板の断面積比と伝熱板の合計体積の比との関係を示すグラフ。

【図7】伝熱板の断面積の２乗と伝熱量の比における熱量の合流前後の比率と伝熱板の合計体積の比との関係を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図１は、一実施形態に係る極低温冷却システムが適用された超電導磁石装置を示す構成図である。この図１に示す極低温冷却システム１０が適用された超電導磁石装置１１は、冷却源としての極低温冷凍機１により被冷却物としての超電導コイル２及び電流リード４を、伝熱部材としての伝熱板３を介して伝導冷却方式で冷却するものであり、極低温冷凍機１、超電導コイル２、電流リード４、伝熱板３、真空容器５、シールド板６及び冷却ステージ７を有して構成される。

【0012】

真空容器５は極低温冷凍機１を設置すると共に、内部にシールド板６が配置され、このシールド板６内に超電導コイル２（超電導コイル２－１、２－２）、伝熱板３、冷却ステージ７、及び電流リード４の高温超電導電流リード４ｂが配置される。

【0013】

極低温冷凍機１は、第１段冷却ステージ８及び第２段冷却ステージ９を有する。第１段冷却ステージ８は、シールド板６に熱的に接触して、このシールド板６と電流リード４の銅電流リード４ａを冷却する。また、第２段冷却ステージ９は、伝熱板３及び冷却ステージ７を介して、超電導コイル２と電流リード４の高温超電導電流リード４ｂを冷却する。

【0014】

伝熱板３は、極低温冷凍機１と超電導コイル２及び電流リード４とを熱的に接続するものであり、伝熱板３ａ１、３ａ２及び３ｃを有してなる。伝熱板３ａ１は超電導コイル２－１と冷却ステージ７とを熱的に接続し、伝熱板３ａ２は超電導コイル２－２と冷却ステージ７とを熱的に接続し、伝熱板３ｃは冷却ステージ７と極低温冷凍機１とを熱的に接続する。これらの伝熱板３ａ１、３ａ２及び３ｃは高純度アルミニウム、高純度銅、又はこれらの高純度アルミニウムと高純度銅との組み合わせにより構成れている。

【0015】

電流リード４は、超電導コイル２（超電導コイル２－１、２－２）へ通電するものであり、前述の銅電流リード４ａ及び高温超電導電流リード４ｂを有してなる。銅電流リード４ａは、室温部からシールド板６に接触するシールド板温度部１２までの領域に設けられ、高温超電導電流リード４ｂは、シールド板温度部１２から冷却ステージ７に接するコイル温度部１３までの領域に設けられる。更に、冷却ステージ７は、電流リード４の冷却に供すると共に、伝熱板３ａ１及び３ａ２と伝熱板３ｃとを中継する。

【0016】

超電導コイル２－１からの伝熱量Ｑａ１は伝熱板３ａ１を介して、また、超電導コイル２－２からの伝熱量Ｑａ２は伝熱板３ａ２を介してそれぞれ冷却ステージ７へ流れ、この冷却ステージ７で電流リード４からの伝熱量（熱侵入量）Ｑｂと合流する。これらの伝熱量Ｑａ１、Ｑａ２及びＱｂは、冷却ステージ７から伝熱板３ｃを介して極低温冷凍機１へ流れる。これにより、超電導コイル２－１、２－２及び電流リード４が、伝熱板３及び冷却ステージ７を用いて伝導冷却方式により冷却される。

【0017】

上述の伝熱板３と伝熱量の関係を図２に模式化して示す。この図２では、伝熱板３ａ１と伝熱板３ａ２とを合わせて伝熱板３ａとして表している。従って、伝熱板３ａの断面積Ｓａは、伝熱板３ａ１の断面積Ｓａ１と伝熱板３ａ２の断面積Ｓａ２とを加算したものであり、伝熱板３ａの伝熱量Ｑａは、伝熱板３ａ１の伝熱量Ｑａ１と伝熱板３ａ２の伝熱量Ｑａ２とを加算したものである。また、伝熱板３ｃは、断面積がＳｃであり、伝熱量がＱｃである。この伝熱量Ｑｃは、伝熱板３ａからの伝熱量Ｑａと電流リード４からの伝熱量Ｑｂとが加算されたものである。

【0018】

本実施形態では、熱量の合流後の伝熱板３ｃの断面積Ｓｃは、熱量の合流前の各伝熱板３ａ１、３ａ２のいずれの断面積Ｓａ１、Ｓａ２よりも大きく設定されている。また、熱量の合流後の伝熱板３ｃの単位断面積当たりの伝熱量（Ｑｃ／Ｓｃ）は、熱量の合流前の伝熱板３ａの単位断面積当たりの伝熱量（Ｑａ／Ｓａ）よりも大きく設定されている。

【0019】

更に、伝熱板３の断面積の２乗と伝熱量の比における熱量の合流前後の比率（Ｓａ^２／Ｑａ）／（Ｓｃ^２／Ｑｃ）は、
０．７＜（Ｓａ^２／Ｑａ）／（Ｓｃ^２／Ｑｃ）＜１．５
に設定されている。このうち、（Ｓａ^２／Ｑａ）／（Ｓｃ^２／Ｑｃ）＝１、即ち（Ｓａ^２／Ｑａ）＝Ｓｃ^２／Ｑｃ）の場合は、熱量の合流前後で伝熱板３全体の合計重量ｍを微小変化させたときの伝熱板３全体の両端（図２の一端α、他端β）の温度差ΔＴ０の変化量（ｄＴ／ｄｍ）が一定になる場合であり、この場合に伝熱板３全体の合計重量ｍが最小になり、従って、伝熱板３全体の使用物量が最小になる。

【0020】

極低温冷凍機１と超電導コイル２との温度差を同一とした条件で伝熱板３の使用物量が最小に低減される根拠を、数値計算的及び論理的に以下に考察する。

【0021】

（数値計算的考察）
ここでは、一例として、伝熱板３ａの伝熱量Ｑａと電流リード４からの伝熱量ＱｂとがＱａ＝Ｑｂ＝１Ｗの場合を考える。この場合、伝熱板３ｃの伝熱量Ｑｃは、Ｑｃ＝Ｑａ＋Ｑｂ＝２Ｗになる。また、伝熱板３ｃの断面積Ｓｃは、伝熱板３ａの断面積Ｓａを基準とした比で表す。更に、伝熱板３ａと伝熱板３ｃの長さが単位長さであるとすると、伝熱板３ｃの体積は伝熱板３ｃの断面積と同一の値になり、伝熱板３ａの体積を基準とした比で表される。また伝熱板３ａの熱抵抗は１Ｋ／Ｗとする。これらの限定は議論の一般性を損なわないものである。

【0022】

また、一般に、伝熱板の熱抵抗Ｒは、伝熱板の両端の温度差をΔＴとし、伝熱量をＱとしたとき、
Ｒ＝ΔＴ／Ｑ …（１）
で表される。また、伝熱板の伝熱量Ｑは、伝熱板の断面積をＳとし、長さをＬとし、熱伝導率をλとしたとき、
Ｑ＝（Ｓ／Ｌ）・λ・ΔＴ …（２）
で表せる。式（１）及び式（２）から
Ｒ＝Ｌ／（Ｓ・λ）∝１／Ｓ …（３）
ΔＴ＝Ｑ／（Ｓ・λ／Ｌ）＝Ｑ・Ｒ …（４）
で表せる。

【0023】

「ケース１」として、伝熱板の断面積を伝熱量に比例させる例を図３に示す。このケース１では、伝熱板３ｃの伝熱量Ｑｃが伝熱板３ａの伝熱量Ｑａの２倍になっていることから、伝熱板３ｃの断面積Ｓｃは伝熱板３ａの断面積Ｓａの２倍に、伝熱板３ｃの体積は伝熱板３ａの体積の２倍にそれぞれ設定される。また、伝熱板３ｃの熱抵抗Ｒは式（３）に基づいて設定され、伝熱板３ａ、３ｃのそれぞれの両端の温度差ΔＴａ、ΔＴｃは、式（４）に基づいて設定される。

【0024】

ここで、温度差の合計は、伝熱板３ａと伝熱板３ｃのそれぞれの温度差ΔＴａ、ΔＴｃの合計、つまり伝熱板３全体の両端α、β（図２）の温度差ΔＴ０である。また、体積の合計は、伝熱板３ａと伝熱板３ｃのそれぞれの体積の合計であり、この合計体積を基準にした場合には比率「１」で表記される。

【0025】

「ケース２」として、伝熱板の断面積を一定にする例を図４に示す。このケース２では、伝熱板３全体の温度差ΔＴ０（＝ΔＴａ＋ΔＴｃ）がケース１と同一値の「２」であり、また、伝熱板３ａと伝熱板３ｃのそれぞれの断面積ＳａとＳｃが等しく、更にＱａ＝１、Ｑｃ＝２であり、また、（λ／Ｌ）が定数である。これらのことから、次の連立方程式を解くことで、断面積Ｓａ、Ｓｃ、温度差ΔＴａ、ΔＴｃをそれぞれ求める。伝熱板３ａ、３ｃの熱抵抗は、断面積Ｓａ、Ｓｂから式（３）を用いて算出する。
ΔＴａ＋ΔＴｃ＝２
Ｑａ＝（λ／Ｌ）・Ｓａ・ΔＴａ
Ｑｃ＝（λ／Ｌ）Ｓｃ・ΔＴｃ
Ｓａ＝Ｓｃ
ここで、体積の合計は、伝熱板３ａと伝熱板３ｃの体積の合計であり、ケース１の合計体積を基準にした場合には「１」で表記される。

【0026】

「ケース３」であるが、まず、伝熱板３ｃと伝熱板３ａの断面積比（Ｓｃ／Ｓａ）を変化させた場合の当該断面積比と、伝熱板３全体の合計体積をケース１の合計体積を基準にした比との関係を計算し、この計算結果を図６に示す。そして、この図６において、伝熱板３全体の合計体積の比が最小値となる条件、（Ｓｃ／Ｓａ）＝√２の場合の計算結果を、「ケース３」として図５に示す。

【0027】

このケース３では、上述のように伝熱板３ｃと３ａのそれぞれの断面積の比（Ｓｃ／Ｓａ）が√２であり、また、伝熱板３全体の温度差ΔＴ０（＝ΔＴａ＋ΔＴｃ）がケース１と同一値の「２」であり、更にＱａ＝１、Ｑｃ＝２であり、また、（λ／Ｌ）が定数である。これらのことから、次の連立方程式を解くことで、断面積Ｓａ、Ｓｃ、温度差ΔＴａ、ΔＴｃを求める。伝熱板３ａ、３ｃの熱抵抗は、断面積Ｓａ、Ｓｂから式（３）を用いて算出する。
ΔＴａ＋ΔＴｃ＝２
Ｑａ＝（λ／Ｌ）・Ｓａ・ΔＴａ
Ｑｃ＝（λ／Ｌ）・Ｓｃ・ΔＴｃ
（Ｓｃ／Ｓａ）＝√２

【0028】

ここで、伝熱板３の体積の合計は、伝熱板３ａと伝熱板３ｃの体積の合計であり、ケース１の合計体積を基準にした場合には「０．９７」、つまり図６の最小値で表記される。また、図６では点Ｘがケース１を、点Ｙがケース２を、点Ｚがケース３をそれぞれ示している。このケース３の場合、つまり（Ｓｃ／Ｓａ）＝√２の場合が、伝熱板３全体の合計体積をケース１及びケース２の場合よりも３％程度減少させており、従って、伝熱板３全体の合計重量ｍを最小化していることが分かる。

【0029】

（論理的考察）
上述のケース３の場合（Ｓｃ／Ｓａ＝√２）が、伝熱板３全体の合計体積（即ち合計重量ｍ）を最小化し得る理由を、以下に論理的に考察する。

【0030】

この考察では、「手順１」として、伝熱板３の両端の温度差ΔＴと伝熱板３の重量ｍとの関係を求める。次に、「手順２」として、伝熱板３の重量ｍを微少変化させたときの伝熱板３の両端の温度差ΔＴの変化量ｄＴ／ｄｍを計算する。その後、「手順３」として、ｄＴ／ｄｍの絶対値が小さい部分の重量ｍを減少させ、変化量ｄＴ／ｄｍの絶対値が大きい部分の重量ｍを増加させ、これらを繰り返すことで変化量ｄＴ／ｄｍを一定にして、伝熱板３全体の合計重量ｍを最小にする。

【0031】

「手順１」では、伝熱板３の両端の温度差ΔＴを、前述の式（４）にも記載したが、改めて次式（５）として表す。

【数1】

式(５)中のＱは伝熱板３の伝熱量であり、Ｓは伝熱板３の断面積であり、Ｌは伝熱板３の長さであり、λは伝熱板３の熱伝導率である。

【0032】

ここで、λは伝熱板３の材質が同じ場合には一定値になる。また、伝熱板３の長さＬは、最短距離になるように設定されるため一定値であると考える。これらのことから、伝熱板３の重量ｍは断面積Ｓに比例する。従って、上記式（５）は伝熱板３の両端の温度差ΔＴと重量ｍとの関係でもある。

【0033】

「手順２」では、伝熱板３の断面積Ｓを微小に変化させたときの温度差ΔＴの微少変化を考えると、式（５）から

【数2】

になる。ここで、ρを伝熱板３の密度とすると、伝熱板３の重量ｍがｍ＝ＳＬρであることから、伝熱板３の両端の温度差ΔＴの変化量ｄＴ／ｄｍは、式（６）を変形して、

【数3】

となる。

【0034】

「手順３」では、手順２で求めた変化量ｄＴ／ｄｍについて考察する。この変化量ｄＴ／ｄｍは、伝熱板３の重量ｍが増加すると温度差ΔＴが減少するので負の値になる。このため、伝熱板３において、変化量ｄＴ／ｄｍの絶対値が小さい部分の重量ｍを減少させ、且つ変化量ｄＴ／ｄｍの絶対値が大きい部分の重量ｍを増加させることで、伝熱板３は、合計重量ｍが同じで両端の温度差ΔＴを小さくできる。逆に、伝熱板３の両端の温度差ΔＴが同じになるようにすると、伝熱板３の合計重量ｍを小さくすることが可能になる。

【0035】

つまり、伝熱板３における変化量ｄＴ／ｄｍの絶対値が小さい部分で重量ｍを減少させて、その断面積Ｓを小さくすると、式（７）から、その部分の変化量ｄＴ／ｄｍの絶対値が増加する。また、伝熱板３における変化量ｄＴ／ｄｍの絶対値が大きな部分で重量ｍを増加させて、その断面積を大きくすると、式（７）から、その部分の変化量ｄＴ／ｄｍの絶対値が前述の増加分以上に減少する。これらを繰り返すと、伝熱板３全体で変化量ｄＴ／ｄｍが一定になり、そのとき伝熱板３全体の合計重量ｍが最小になる。

【0036】

以上のことから、式（７）において伝熱板３の物性値である密度ρ及び熱伝導率λの温度変化が無視できる場合、伝熱板３の変化量ｄＴ／ｄｍを一定にするためには、伝熱量Ｑが一定の場合に断面積Ｓを一定にすればよく、伝熱量Ｑが変化する場合に断面積Ｓを伝熱量Ｑの平方根に比例（Ｓ∝√Ｑ）させればよいことが分かる。前述の数値計算的考察のケース３では、伝熱板３ｃの伝熱量Ｑｃが伝熱板３ａの伝熱量Ｑａの２倍になっているため、伝熱板３ｃの断面積Ｓｃが伝熱板３ａの断面積Ｓａの√２倍になっている。従って、このケース３の場合に、伝熱板３の変化量ｄＴ／ｄｍが一定になって、伝熱板３の合計重量ｍが最小になる。

【0037】

上述の最適条件（伝熱板３の変化量ｄＴ／ｄｍが一定）は、伝熱板３における熱量の合流前後で断面積Ｓの２乗と伝熱量Ｑの比が同一、即ち（Ｓａ^２／Ｑａ）＝（Ｓｃ^２／Ｑｃ）になるようにすればよいことを示している。これは、伝熱板３の断面積Ｓが伝熱量Ｑの平方根に比例すること（Ｓ∝√Ｑ）と同義である。

【0038】

但し、上記最適条件に近ければ、伝熱板３の合計重量ｍについて十分な減少効果を期待できる。図７は、伝熱板３について断面積Ｓの２乗と伝熱量Ｑの比における熱量の合流前後の比率（Ｓａ^２／Ｑａ）／（Ｓｃ^２／Ｑｃ）を横軸に、伝熱板３の合計体積の比（つまり、数値計算的考察のケース１における合計体積を基準値１としつつ、このケース１の合計体積を基準にしたときの比率）を縦軸に示したものである。この図７では、図６と同様に、点Ｘがケース１に、点Ｙがケース２に、点Ｚがケース３にそれぞれ対応している。

【0039】

図７から、伝熱板３について断面積Ｓの２乗と伝熱量Ｑの比における熱量の合流前後の比率（Ｓａ^２／Ｑａ）／（Ｓｃ^２／Ｑｃ）が１．０であれば、伝熱板３の合計体積比が０．９７となって、伝熱板３の合計体積を３％減少させて最小値にすることができる。また、上記比率（Ｓａ^２／Ｑａ）／（Ｓｃ^２／Ｑｃ）が０．７または１．５であれば、伝熱板３の合計体積比が０．９８となって、伝熱板３の合計体積を２％減少させることができる。これらのことから、上記比率（Ｓａ^２／Ｑａ）／（Ｓｃ^２／Ｑｃ）が０．７～１．５の範囲であれば、伝熱板３の合計重量ｍを、最小値を含む最小範囲に減少させることができる。

【0040】

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果を奏する。
被冷却物である超電導コイル２及び電流リード４から極低温冷凍機１へ向かって合流して流れる熱量の合流前の伝熱板３の断面積をＳａ、伝熱量をＱａとし、熱量の合流後の伝熱板３の断面積をＳｃ、伝熱量をＱｃとしたとき、伝熱板３の断面積の２乗と伝熱量の比における熱量の合流前後の比率（Ｓａ^２／Ｑａ）／（Ｓｃ^２／Ｑｃ）が、０．７＜Ｓａ^２／Ｑａ）／（Ｓｃ^２／Ｑｃ）＜１．５に設定されている。

【0041】

このうち上記比率が「１」の場合、即ち、熱量の合流前後の伝熱板３全体の合計重量ｍを微小変化させたときの伝熱板３全体の両端の温度差ΔＴの変化量（ｄＴ／ｄｍ）を一定とした場合には、伝熱板３全体の合計重量ｍを最小値に設定できる。この結果、極低温冷凍機１と超電導コイル２及び電流リード４との温度差を設定温度に維持しつつ、高価な材質を使用する伝熱板３の使用物量を、上記最小値を含む最小範囲に低減でき、伝熱板３のコストを低減できる。

【0042】

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0043】

例えば、上記実施形態では極低温冷却システム１０は超電導磁石装置１１に適用される場合を述べたが、これに限らず、冷却源を液体ヘリウムまたは液体窒素とし、被冷却物を超電導素子として、液体ヘリウムまたは液体窒素により伝熱板を介して超電導素子を冷却するものであってもよい。

【符号の説明】

【0044】

１…極低温冷凍機（冷却源）、２…超電導コイル（被冷却物）、３、３ａ、３ｃ…伝熱板（伝熱部材）、４…電流リード（被冷却物）、１０…極低温冷却システム、１１…超電導磁石装置、Ｑａ、Ｑｃ…伝熱量、Ｓａ、Ｓｃ…断面積

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】