JP2002246663A

JP2002246663A - クライオスタット

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Publication number: JP2002246663A
Application number: JP2001038256A
Authority: JP
Inventors: Kunio Kazami; 邦夫風見
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2002-08-30
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: JP4360037B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな熱侵入源となっている脳磁計測部近傍
のサーマルシールドを銅メッシュの断面積を増やすこと
なく効率的に冷却し、冷媒の蒸発量を低減することがで
きるクライオスタットを実現すること。【解決手段】内部に生体検査用のセンサが設置される
と共にセンサを冷却する冷媒が充填される本体部とこの
本体部に接続された筒状のネック部とを有する内槽と、
内槽を囲むように配置され内槽の外壁との間に真空層を
形成する外槽と、ネック部に接続されて真空層に配置さ
れる第一のサーマルアンカーと、第一のサーマルアンカ
ーに接続されて真空層に配置されるサーマルシールド、
とを有するクライオスタットにおいて、第一のサーマル
アンカーとサーマルシールドとに接続される熱輸送手段
を設けたことを特徴とするクライオスタット。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非破壊生体検査シ
ステムとして、例えば極低温におけるジョセフソン効果
を利用して脳などの生体磁気を計測するＳＱＵＩＤ（Su
perconducting Quantum Interference Device）磁束計
測システムに使用される測定センサ等を冷却保持するた
めのクライオスタットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来のクライオスタットの構成を
示す縦断面図である。図４において、クライオスタット
１は、内槽２と外槽３によりその本体が形成されてお
り、それらは例えばガラス繊維強化プラスチック（Glas
s Fiber Reinforced Plastics、以下ＧＦＲＰと記す）
を素材として形成されている。

【０００３】そして、内槽２は有底円筒状の本体部２ａ
と、本体部２ａの上部に本体部２ａよりも径を絞られて
形成された円筒状のネック部２ｂとからなり、本体部２
ａの底部は人の頭部に適合するように円弧状に形成され
ている。

【０００４】そして、生体検査用のセンサ（ＳＱＵＩＤ
センサアレー）４がネック部２ｂより内槽２の本体部２
ａ内に挿入されて円弧状の底部に設置され、このセンサ
４を冷却する冷媒として例えば液体ヘリウムがネック部
２ｂより本体部２ａの内部に充填され、ネック部２ｂの
内部には断熱材５が設けられている。

【０００５】外槽３は、内槽２を囲むように配置され、
外槽３の内壁と内槽２の外壁との間には真空層６が形成
されている。また、外槽３の側面には真空層６に連通す
る真空引口３ａが形成され、外槽３の底部は内槽２の円
弧状の底部を囲むように形成されて、その外部に脳磁計
測部３ｂが形成されている。

【０００６】そして、ネック部２ｂの側面には、例えば
銅からなるドーナツ状の高温用の第一のサーマルアンカ
７ａ、低温用の第一のサーマルアンカ７ｂが順次内槽２
の下方に接続されて真空層６内に配置されている。これ
らのサーマルアンカ７ａ，７ｂは、例えば銅などで形成
された熱伝導率が高く、かつ熱容量の高い熱溜めであ
る。

【０００７】そして、このサーマルアンカ７ａ，７ｂに
は、それぞれ例えば銅からなるメッシュ状で外部からの
輻射熱をシールドするサーマルシールド８ａ，８ｂが互
いに熱伝導可能に接続され、サーマルシールド８ｂを内
側、サーマルシールド８ａを外側として内槽２を順次取
り囲むように真空層６内に配置されている。

【０００８】この場合、低温用のサーマルアンカ７ｂに
接続されたサーマルシールド８ｂは、内槽２の円弧状の
底部近傍の真空層６内においては人の頭部に適合する円
弧状に形成されている。

【０００９】次に図４に示したクライオスタットにおい
て外部からの熱の侵入を防止するサーマルシールド効果
について説明する。内槽２内の液体ヘリウムは外部から
の放射・伝導による侵入熱で少しづつ蒸発し、蒸発した
ヘリウムはネック部２ｂと断熱材５の隙間を上昇し、そ
の際にネック部２ｂが冷却され、ガスが熱を吸収し熱交
換が行われる。

【００１０】そして、２段に構成されたサーマルアンカ
ー７ａ，７ｂが冷却されることにより、同様に２段に構
成されたサーマルシールド８ａ，８ｂが冷却され、外槽
３の外部から侵入する輻射熱を吸収することで、内槽２
に熱が伝わらないようにしており、これをサーマルシー
ルドと呼んでいる。

【００１１】そして、高温用のサーマルシールド８ａは
例えば１００〜１８０Kと比較的温度が高く、低温用の
サーマルシールド８ｂは２０〜５０Kと低く設定され、
サーマルシールド８ａ，８ｂとの間、内槽２、外槽３の
壁との間隙は、アルミを蒸着したスーパーインシュレー
ションと呼ばれるフィルム状の薄膜（図示せず）を互い
に接触しないように挟んで多数枚組込み、多重の熱シー
ルドを実現することで輻射による熱侵入を極めて低くす
るようにしている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなク
ライオスタットには次のような問題点があった。脳磁計
に代表される生体磁気計測装置では極めて微弱な信号を
計測するために脳磁計測部３ｂ近傍の真空層６の幅（内
槽２の底部と外槽３の底部との間に形成される真空層６
の幅）を数ｍｍと極めて薄くする。このため、脳磁計測
部３ｂ近傍(内槽２の底部と外槽３の底部の近傍)の真空
層６内にはサーマルシールド及びスーパーインシュレー
タを構造的に十分に設けることができない。例えば、脳
磁計測部３ｂ近傍の真空層６内においてはサーマルシー
ルド８ａまたはサーマルシールド８ｂを省略したり（図
２においてはサーマルシールド８ａを省略している）、
スーパーインシュレータの枚数を数分の１程度しか挿入
できない。

【００１３】従って、通常この脳磁計測部３ｂからの熱
侵入が極めて大きく、サーマルシールド８ｂに大きな温
度分布が生じ（温度が不均一となる）、ネック部２ｂ周
辺は低い温度でも脳磁計測部３ｂ近傍のサーマルシール
ド８ｂの温度は上昇してしまうばかりか、クライオスタ
ット１全体の熱侵入も持ち上げてしまい、冷媒の蒸発量
が多くなってしまうという欠点がある。

【００１４】また、サーマルシールド８ｂは銅メッシュ
でできているが、熱伝達を十分にするために断面積を大
きく取ると熱雑音が大きくなりセンサ４での計測に悪影
響を及ぼす。従って、サーマルシールド８ｂには十分な
熱伝達能力を持たせられず、これも冷媒の蒸発量を増加
させる原因となっている。

【００１５】本発明は上述した問題点を解決するために
なされたものであり、大きな熱侵入源となっている脳磁
計測部３ｂ近傍（内槽２の底部及び外槽３の底部の近
傍）のサーマルシールドを銅メッシュの断面積を増やす
ことなく効率的に冷却し、冷媒の蒸発量を低減すること
ができるクライオスタットを実現することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１におい
ては、内部に生体検査用のセンサが設置されると共に前
記センサを冷却する冷媒が充填される本体部とこの本体
部に接続された筒状のネック部とを有する内槽と、前記
内槽を囲むように配置され前記内槽の外壁との間に真空
層を形成する外槽と、前記ネック部に接続されて前記真
空層に配置される第一のサーマルアンカーと、前記第一
のサーマルアンカーに接続されて前記真空層に配置され
るサーマルシールド、とを有するクライオスタットにお
いて、前記第一のサーマルアンカーと前記サーマルシー
ルドとに接続される熱輸送手段を設けたことを特徴とす
るクライオスタットである。

【００１７】本発明の請求項２においては、請求項１記
載のクライオスタットにおいて、前記熱輸送手段はヒー
トパイプであることを特徴とするクライオスタットであ
る。

【００１８】本発明の請求項３においては、請求項１記
載のクライオスタットにおいて、前記内槽及び前記外槽
は有底筒状で前記センサは前記内槽の底部に設置され、
前記底部の近傍の前記真空層内に前記サーマルシールド
と前記熱輸送手段に接続される第二のサーマルアンカー
を設けたことを特徴とするクライオスタットである。

【００１９】本発明の請求項４においては、請求項１記
載のクライオスタットにおいて、前記ネック部の内部に
設けられ、前記冷媒の蒸発したガスの顕熱を熱交換する
と共にネック部を介して前記第一のサーマルアンカとの
間で熱交換を行う均熱手段を設けたことを特徴とするク
ライオスタットである。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を用いて説明する。尚、以下の図面において、図２と
重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略
する。図１は本発明によるクライオスタットの構成を示
す縦断面図である。

【００２１】図１において、９はサーマルアンカ７ｂと
サーマルシールド８ｂに接続された熱輸送手段としての
ヒートパイプであり、このヒートパイプ９は金属管の内
部に封入された液体（窒素、水素、アルゴン、クリプト
ン、メタン等）の蒸発によって一端から熱を吸収し、蒸
気の凝縮により他端より熱を放出することにより熱輸送
を行うものである。

【００２２】そして、１０は内槽２及び外槽３の底部近
傍（脳磁計測部３ｂの近傍）の真空層６内において内槽
２を取り囲むように設けられ、底部近傍の外部からの輻
射熱を一時的に蓄熱し、ヒートパイプ９による熱輸送を
効率化するための第二のサーマルアンカであり、ヒート
パイプ９と内槽２及び外槽３の底部近傍（脳磁計測部３
ｂの近傍）のサーマルシールド８ｂとに接続されてい
る。

【００２３】そして、１１ａはネック部２ｂの内壁に設
けられた均熱手段であり、１１ｂはネック部２ｂの内部
で断熱材５の周囲に設けられた均熱手段である。また、
均熱手段１１ｂには断熱材５の内部に設けられた例えば
アルミや銅等の反射率の高い金属製の円盤状の輻射シー
ルド１２に接続されている。

【００２４】これらの均熱手段１１ａ，１１ｂは、ネッ
ク部２ｂの内部における熱交換の実効的な面積を増やす
と共に外部から流入する熱の吸収能力を高めるために設
けられ、例えば高熱伝導率の銅・アルミなどの筒状の金
属帯または網状の帯、あるいは針状の金属フィラー等を
含浸した高熱伝導性樹脂材などで構成されている。

【００２５】そして、２ｃはネック部２ｂの熱伝導路を
長くするために内槽２の本体部２ａとネック部２ｂとの
間に設けられた迂回部であり、ネック部２ｂの径よりも
大きな径で形成されている。

【００２６】次に、図１に示したクライオスタットの動
作について説明する。内槽２及び外槽３の底部近傍（脳
磁計測部３ｂの近傍）の外部より侵入した熱は、サーマ
ルシールド８ｂより第二のサーマルアンカ１０に伝熱及
び畜熱されて温度勾配が形成され、ヒートパイプ９によ
って第一のサーマルアンカ７ｂに高速に熱輸送され、サ
ーマルシールド８ｂは高速に冷却され、内槽２の内部へ
の熱侵入が少なくなることにより冷媒の蒸発量は低減さ
れる。

【００２７】また、サーマルシールド８ｂを、内槽２の
側面を取り囲む部分と内槽２の底部（脳磁計測部３ｂの
近傍）を取り囲む部分とに分離させ、ヒートパイプ９を
内槽２の底部（脳磁計測部３ｂの近傍）を取り囲む部分
のみに接続し、内槽２の側面を取り囲む部分には接続し
ないようにしても良く、この場合、より効率的（優先的
に）に熱の大きな侵入経路である脳磁計測部３ｂの近傍
のサーマルシールド８ｂを冷却することができる。

【００２８】そして、均熱帯１１ａ，１１ｂは蒸発した
ヘリウムガス中の顕熱をネック部２ｂの内部で熱交換
（冷却）すると共に、輻射シールド１２を冷却してネッ
ク部２ｂの上部からの輻射熱を吸収し、また、ネック部
２ｂを介してサーマルアンカー７ｂとの間で熱交換を行
う。また、流出ガスの温度は重力方向に水平を保つ性質
があるため、均熱帯１１ａ，１１ｂは実効的なガスの熱
交換部の接触面積を増やす効果がある。

【００２９】そして、迂回部２ｃは、熱伝導路長を長く
取ることにより、ネック部２ｂから熱伝導により内槽２
の内部に侵入する熱を迂回させ、侵入熱を減少させる。
この迂回部２ｃは、クライオスタット１全体の小型化の
ために特にネック部２ｂの上部からの距離が稼げない場
合に有効である。また、ネック部２ｂの内壁に斜め螺旋
状に溝を設けて表面積を大きくするようにしても良い。

【００３０】また、図１においては、サーマルアンカ７
ｂとサーマルシールド８ｂにのみヒートパイプ９を接続
しているが、サーマルアンカ７ａとサーマルシールド８
ａにも別のヒートパイプを接続しても良い。

【００３１】尚、ヒートパイプの内部に封入される液体
は、接続されるサーマルアンカに設定される温度におい
て液相と気相とが混在した状態となるような液体が適宜
に選択される。

【００３２】また、サーマルシールドの円周方向の均熱
が効率化するように、複数本のヒートパイプを一つのサ
ーマルシールドに円周状に設けてもよい。また、ここで
は２層のサーマルシールドとしたが、サーマルアンカー
をさらに細分化して、３層以上とし、ヒートパイプとサ
ーマルシールドもこれに応じて増やした構造としてもよ
い。また、ヒートパイプよりも冷却効果は低下するが、
ヒートパイプの代わりに銅などのロッドでフレームを組
んでサーマルシールドに接続するようにしても良い。

【００３３】また、サーマルアンカー１０に銅メッシュ
のサーマルシールド８ｂを接続するようにしたが、サー
マルシールド８ｂの内槽２の底部（脳磁計測部３ｂの近
傍）を取り囲む部分２１を省略し、その部分に図示しな
いスーパーインシュレーションを複数枚設けてサーマル
アンカ１０に接続してもよい。

【００３４】また、熱伝達速度が大きくなることにより
真空層６に挿入される図示しないスーパーインシュレー
ションの枚数を減らすことが可能となり、脳磁計測部３
ｂ近傍の真空層６の幅を狭くでき、信号源（頭部）に、
よりセンサ４を近づけることでＳＮ比を向上させるよう
にすることができる。

【００３５】また、熱伝達（冷却）をヒートパイプ９で
おこなうため、サーマルシールド８ａ，８ｂを構成する
銅メッシュの（サーマルアンカー７ａ，７ｂから脳磁計
測部３ｂに向かう方向の）縦糸に頼らずに済み、銅メッ
シュを粗くしたり薄くしたりでき、銅メッシュによる熱
雑音を小さくすることができる。

【００３６】また、真空層６の内部熱伝導がヒートパイ
プ９で高速におこなわれるため、従来、クライオスタッ
ト１本体内部の熱の安定化に６〜１２時間必要であった
ものが極端に短くなり、ヘリウム注入時後、しばらく安
定化しなかった蒸発量変化が短時間で安定し、液体ヘリ
ウムのバブリング等で発生していたノイズが短時間で減
少する。

【００３７】また、ガス排出路となるネック部２ｂの内
部に熱交換の為の均熱帯１１ａ，１１ｂを設けたことに
より、サーマルアンカー７ｂからの熱の伝播抵抗が減
り、サーマルシールド８ｂ全体の温度を下げることがで
きる。また、ネック部２ｂの実効的な長さを増やす為に
迂回部２ｃを設けたので、均熱帯１１ａ，１１ｂを設け
たことによる熱侵入が増えることを阻止することができ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、脳
磁計測部の近傍（内槽の底部及び外槽の底部の近傍）か
ら侵入する熱をヒートパイプにより熱侵入部から離れた
サーマルアンカに高速に熱輸送するようにしたので、サ
ーマルシールドは高速に冷却されて温度が均一化され、
冷媒の蒸発量を低減させることができる。

【００３９】また、本発明によれば、ヒートパイプによ
りサーマルシールドを銅メッシュの断面積を増やすこと
なく効率的に冷却するようにしたので、銅メッシュによ
る熱雑音を抑制し、安定した計測を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるクライオスタットの構成を示す縦
断面図である。

【図２】従来のクライオスタットの構成を示す縦断面図
である。

【符号の説明】

１クライオスタット２内槽２ａ本体部２ｂネック部３外槽４センサ６真空層７ａ，７ｂサーマルアンカ８ａ，８ｂサーマルシールド９ヒートパイプ１０サーマルアンカ１１ａ，１１ｂ，均熱手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に生体検査用のセンサが設置される
と共に前記センサを冷却する冷媒が充填される本体部と
この本体部に接続された筒状のネック部とを有する内槽
と、前記内槽を囲むように配置され前記内槽の外壁との
間に真空層を形成する外槽と、前記ネック部に接続され
て前記真空層に配置される第一のサーマルアンカーと、
前記第一のサーマルアンカーに接続されて前記真空層に
配置されるサーマルシールド、とを有するクライオスタ
ットにおいて、前記第一のサーマルアンカーと前記サーマルシールドと
に接続される熱輸送手段を設けたことを特徴とするクラ
イオスタット。
【請求項２】請求項１記載のクライオスタットにおい
て、前記熱輸送手段はヒートパイプであることを特徴とする
クライオスタット。
【請求項３】請求項１記載のクライオスタットにおい
て、前記内槽及び前記外槽は有底筒状で前記センサは前記内
槽の底部に設置され、前記底部の近傍の前記真空層内に前記サーマルシールド
と前記熱輸送手段に接続される第二のサーマルアンカー
を設けたことを特徴とするクライオスタット。
【請求項４】請求項１記載のクライオスタットにおい
て、前記ネック部の内部に設けられ、前記冷媒の蒸発したガ
スの顕熱を熱交換すると共にネック部を介して前記第一
のサーマルアンカとの間で熱交換を行う均熱手段を設け
たことを特徴とするクライオスタット。