CN105122487B - 低温恒温器 - Google Patents
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Abstract
本发明能够减少源于制冷机的振动。低温恒温器具有：氦槽(2)，其收容液氦；制冷机(5)，其设置在氦槽(2)的上方，使在氦槽(2)内蒸发的液氦再液化；筒状构件(15)，其收容制冷机(5)的下部且形成与氦槽(2)连通的液化室(8)；以及缓冲罐(10)，其与氦槽(2)内的比液氦的液面靠上方的空间和液化室(8)的至少一方连通，且收容氦气。通过使缓冲罐(10)与氦槽(2)、液化室(8)连通，从而使氦槽(2)、液化室(8)的气相容积增大。
Description
技术领域
本发明涉及用于对超导磁铁等进行冷却的低温恒温器。
背景技术
在应用于NMR装置等的超导磁铁装置中，为了使作为制冷剂的液氦的消耗为零，使用使蒸发掉的制冷剂再凝结的制冷机。但是，由于因来自制冷机的振动而产生磁场扰乱，因此存在通过NMR装置获得的NMR信号产生噪声的问题。
因此，在专利文献1中公开了一种低温恒温器组件，在该低温恒温器组件中，将芯棒(plug)设置于连接收容制冷机的下部的液化室与收容液氦的制冷剂槽的通路中，在该芯棒上设置有多个孔，该孔的直径比制冷机所产生的声波的波长小很多。在制冷剂槽内液氦蒸发而产生的氦气通过多个孔而进入液化室。在液化室内氦气再液化而产生的液氦通过多个孔而返回制冷剂槽。并且，由制冷机产生的声波在通过多个孔时衰减。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-184280号公报
然而，专利文献1的芯棒存在以下问题点。即，在进行制冷机的维护时，制冷剂槽暂时开放。此时，存在少量空气混入制冷剂槽内的可能性。混入制冷剂槽内的空气被制冷剂冷却而凝结，积存在制冷剂槽内。一旦凝结后的该空气堵塞芯棒的多个孔的情况下，制冷剂槽与液化室的通路被截断，再凝结功能产生致命的功能不良。
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的在于提供能够减少源于制冷机的振动的低温恒温器。
用于解决课题的手段
本发明的低温恒温器的特征在于，具有：制冷剂槽，其收容液态的制冷剂；制冷机，其设置在所述制冷剂槽的上方，使在所述制冷剂槽内蒸发的制冷剂再液化；筒状构件，其收容所述制冷机的下部且形成与所述制冷剂槽连通的液化室；以及收容机构，其与所述制冷剂槽内的比液态的制冷剂的液面靠上方的空间和所述液化室的至少一方连通，且收容气态的制冷剂。
发明效果
根据本发明，通过使收容气态制冷剂的收容机构与制冷剂槽内的比液态的制冷剂的液面靠上方的空间和液化室的至少一方连通，从而使制冷剂槽、液化室的气相容积增大。这里，来自制冷机的声学振动(压力变动)由制冷机的液化循环引起，且趋势是，相对于单位时间的液化量，气相容积越大，压力变动越得到抑制。因此，可以考虑通过增大制冷剂槽、液化室自身来增大气相容积。但是，若增大制冷剂槽、液化室自身，则低温恒温器大型化，需要更大的设置面积。另外，由于低温恒温器的表面积增大，热侵入增加，对制冷机的负荷增大。因此，通过使收容气态制冷剂的收容机构与制冷剂槽、液化室连接，利用收容机构增大气相容积，由此抑制来自制冷机的压力变动。由此，能够减少源于制冷机的振动。
附图说明
图1是示出低温恒温器的内部结构的侧视图。
图2是示出压力变动的计算值以及实测值的图。
图3是示出压力变动的时间变化的测定结果的图。
图4A是示出NMR信号的图。
图4B是示出NMR信号的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的优选实施方式。
(低温恒温器的结构)
如图1所示，本发明的第一实施方式的低温恒温器100具有收容作为液态制冷剂的液氦的氦槽(制冷剂槽)2、设置在氦槽2的上方的制冷机5、形成与氦槽2连通的液化室8的筒状构件15、以及与液化室8连通的缓冲罐(收容机构)10。需要说明的是，本实施方式的低温恒温器100虽用于NMR装置，但并不局限于此，例如，也可以用于MRI装置。另外，制冷剂不限定于氦。
在氦槽2上设置有气体排放口(未图示)。该气体排放口是丧失制冷机5的能力时氦气蒸发的路径，设置在后述的筒构件13的上端部。在该气体排放口的上侧，安装有用于防止空气从外部向氦槽2内混入的单向阀。因此，即便氦槽2内的氦气通过制冷机5被冷却并液化，氦槽2内的总氦量也不会变化。另外，为了防止空气向氦槽2内混入，氦槽2内的压力被控制为比大气压略高的正压。作为氦槽2的材质，能够列举出铝、不锈钢等。
在氦槽2内收容有超导磁铁1。超导磁铁1通过将超导线材呈螺旋状卷绕于卷框(未图示)而得到。超导线材既可以是金属类超导线材，也可以是氧化物类超导线材。另外，在氦槽2的中心部设置有沿着铅垂方向延伸的圆筒空间S(缸内径)。向该圆筒空间S装入试料，进行各种分析、实验。
氦槽2被辐射屏蔽件3包围。该辐射屏蔽件3是用于使冷能难以散发的、被氦气所具有的冷能冷却的屏蔽容器。另外，辐射屏蔽件3通过制冷机5的后述的第一冷却工作台6被强制冷却。作为辐射屏蔽件3的材质，能够列举出铝、铜等。
另外，氦槽2以及辐射屏蔽件3收容在真空容器4内。该真空容器4是将其内部保持为高真空从而抑制朝向超导磁铁1、氦槽2的热侵入的容器。在真空容器4的上部安装有内部具有筒构件13的颈构件12。筒构件13用作电流导线(未图示)的插入通路，或用作液氦向氦槽2内补充的补充通路。另外，真空容器4通过多个架台9支承在地面上。作为真空容器4的材质，能够列举出铝、不锈钢等。
制冷机5用于使在氦槽2内蒸发的液氦再液化，在本实施方式中使用脉冲管制冷机。在制冷机5的铅垂方向上的中途部设置有第一冷却工作台6(1nd工作台)，在制冷机5的下端部设置有第二冷却工作台7(2nd工作台)。第一冷却工作台6以及第二冷却工作台7均具有凸缘状的形态，通过制冷机5被冷却，分别达到例如约40K以及约4K。第一冷却工作台6以及第二冷却工作台7的材质主要是铜、铜合金。需要说明的是，制冷机5不限定为脉冲管制冷机，也可以是GM制冷机、斯特林制冷机等。
筒状构件15收容制冷机5的包括第二冷却工作台7在内的下部。在该筒状构件15的外侧还配置有筒状构件16。该筒状构件15的内部空间是液化室8，该液化室8与氦槽2通过直径比筒状构件15小的筒状的连通构件14而连通。
缓冲罐10与氦槽2、液化室8相比气相容积较大，收容有作为气态制冷剂的氦气。在本实施方式中，液化室8的气相容积为3.5L，与此相对，缓冲罐10的气相容积为250L。该缓冲罐10设置在地面上。这样的缓冲罐10经由连通路11与液化室8连通，由此液化室8的气相容积增大。作为缓冲罐10的材质，能够列举出铝、不锈钢等。
这里，来自制冷机5的声学振动(压力变动)由制冷机5的液化循环引起。另外，趋势是相对于单位时间的液化量，气相容积越大，则压力变动越得到抑制。因此，可以考虑通过增大氦槽2、液化室8自身来增大气相容积。但是，若增大氦槽2、液化室8自身，则低温恒温器100大型化，需要更大的设置面积。另外，由于低温恒温器100的表面积增大，热侵入增加，对制冷机5的负荷增大。
因此，在本实施方式中，通过使缓冲罐10与液化室8连接，利用缓冲罐10增大液化室8的气相容积，从而抑制来自制冷机5的压力变动。
需要说明的是，即便使缓冲罐10与氦槽2内的比液氦的液面靠上方的空间连通，增大氦槽2的气相容积，也能够抑制来自制冷机5的压力变动。但是，由于液化室8的容量比氦槽2的容量小，因此与氦槽2相比更容易传递压力变动。因此，若要使压力变动难以传递，与增大氦槽2侧的气相容积相比，增大液化室8侧的气相容积更有效。
(压力变动评价)
接下来，对使液化室8侧的气相容积变化时的来自制冷机5的压力变动的值进行评价。首先，使用计算模型求出压力变动的计算值。表1示出其结果。
[表1]
接下来，实际地使液化室8侧的气相容积变化，测定压力变动的实测值。表2示出其结果。
[表2]
图2示出压力变动的计算值以及实测值。可知趋势是，液化室8侧的气相容积越大，压力变动越得到抑制。
(压力变动的时间变化)
接下来，在使缓冲罐10与液化室8连接时和使两者不连接时，测定氦槽2内的压力变动的时间变化。作为测定条件，将缓冲罐10的容量(气相容积)设为250L，将氦槽2内的液氦的液面高度设为氦槽2内部的整体高度的69％，将氦槽2的基础压力设为2.3kPa。图3示出测定结果。
不使缓冲罐10与液化室8连接时的压力变动的峰值约为6Pa，与此相对，使缓冲罐10与液化室8连接时的压力变动的峰值约为1.3Pa。由此可知，通过利用缓冲罐10扩大液化室8的气相容积，压力变动得到抑制。
(NMR信号的噪声评价)
接下来，在使缓冲罐10与液化室8连接时和使两者不连接时，评价NMR信号中出现的噪声。图4A以及图4B示出其结果。
在不使缓冲罐10与液化室8连接时，如图4A所示，NMR信号出现较大噪声，与此相对，在使缓冲罐10与液化室8连接时，如图4B所示，NMR信号中出现的噪声减少。由此可知，通过利用缓冲罐10增大液化室8的气相容积，减少源于制冷机5的振动，从而NMR信号中出现的噪声减少。
(效果)
如上所述，根据本实施方式的低温恒温器100，通过使收容氦气的缓冲罐10与氦槽2内的比液氦的液面靠上方的空间、以及液化室8的至少一方连通，从而使氦槽2、液化室8的气相容积增大。这里，来自制冷机5的声学振动(压力变动)由制冷机5的液化循环引起，且趋势是，相对于单位时间的液化量，气相容积越大，则压力变动越得到抑制。因此，可以考虑通过增大氦槽2液化室8自身来增大气相容积。但是，若增大氦槽2、液化室8自身，则低温恒温器100大型化，需要更大的设置面积。另外，由于低温恒温器100的表面积增大，热侵入增加，对制冷机5的负荷增大。因此，通过使缓冲罐10与氦槽2、液化室8连接，利用缓冲罐10增大气相容积，由此抑制来自制冷机5的压力变动。由此，能够减少源于制冷机5的振动。
另外，使缓冲罐10与液化室8连通。由于液化室8与氦槽2相比气相容积较小，因此与氦槽2相比更容易传递压力变动。由此，为了使压力变动难以传递，与增大氦槽2侧的气相容积相比，增大液化室8侧的气相容积更有效。因此，使缓冲罐10与液化室8连通，增大液化室8侧的气相容积。由此，能够适当地抑制来自制冷机5的压力变动。
另外，在将超导磁铁1收容于氦槽2内而用于高分解能力NMR时，通过减少源于制冷机5的振动，能够减少NMR信号中出现的噪声。
以上，说明了本发明的实施方式，但仅例示了具体例，不特别限定本发明，具体结构等能够适当地进行设计变更。另外，发明的实施方式所记载的作用以及效果仅列举了本发明产生的最佳的作用以及效果，本发明的作用以及效果不限定为本发明的实施方式所记载的作用以及效果。
例如，在本实施方式中，作为收容氦气的收容机构而使用缓冲罐10，但收容机构不限定为容器，也可以是袋、气密室等。
另外，在本实施方式中，使缓冲罐10与液化室8连通，但也可以使缓冲罐10与氦槽2与液化室8这两方连通。
附图标记说明
1：超导磁铁
2：氦槽(制冷剂槽)
3：辐射屏蔽件
4：真空容器
5：制冷机
6：第一冷却工作台
7：第二冷却工作台
8：液化室
9：架台
10：缓冲罐(收容机构)
11：连通路
12：颈构件
13：筒构件
14：连通构件
15：筒状构件
16：筒状构件
100：低温恒温器
Claims (2)
1.一种低温恒温器，其特征在于，具有：
制冷剂槽，其收容液态的制冷剂；
制冷机，其设置在所述制冷剂槽的上方，使在所述制冷剂槽内蒸发的制冷剂再液化；
筒状构件，其收容所述制冷机的下部且形成与所述制冷剂槽连通的液化室；以及
收容机构，其与所述液化室连通，具有所述液化室的57.1倍以上的气相容积，且收容气态的制冷剂。
2.根据权利要求1所述的低温恒温器，其特征在于，
在所述制冷剂槽内收容有超导磁铁。
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