JP2004286430A - パルスチューブ型冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温の液体を再凝縮するパルスチューブ型冷凍装置、さらに詳細には、磁気共鳴イメージングシステムに用いる冷凍装置を提供する。
【解決手段】多くの極低温装置において、例えば、磁気共鳴イメージングシステム（ＭＲＩ）用超伝導コイル、超伝導変圧器、超伝導発電機、電子装置のようなコンポーネントは液化ガス（例えば、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、メタン）と接触させることにより冷却する。第１の局面において、本発明は、熱交換器チューブにフィンを設けた極低温装置内のパルスチューブ型冷凍装置ＰＴＲを提供する。この構成において、フィンまたはバッフルはヘリウム雰囲気から熱交換器への分布した熱伝達に利用可能な表面積を増加するものと考えられる。
【選択図】図６

Description

本発明は、極低温液体を再凝縮するパルスチューブ型冷凍装置に関し、さらに詳細には、磁気共鳴イメージングシステム用パルスチューブ型冷凍装置に関する。

多くの極低温装置において、例えば、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）用超伝導コイル、超伝導変圧器、発電機、電子装置のようなコンポーネントは、液化ガス（例えば、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、メタン）に接触させて冷却される。これらのコンポーネントにおいて液化ガスが消散するかシステムに熱が侵入すると、ガスが部分的に沸騰する。損失を補償するためには再充填する必要がある。この保守作業は多くのユーザーにとり面倒なものと考えられ、失われた液体を再凝縮して浴内へ戻す冷凍装置を導入しようとして長年の間多大の努力が傾けられている。

従来技術の一例として、図１に、ＭＲＩ磁石の２段式ギフォード‐マクマホン（ＧＭ）コールドヘッド再凝縮器を示す。総括的に１０で示すＧＭコールドヘッドを保守または修理のために取り外し自在にするために、真空容器の外側表面１６（室温）を４Ｋのヘリウム浴１８に接続するソック(sock)に挿入されている。このソックはステンレス鋼製の薄壁チューブであり、室温から極低温のソックの低温端部への熱伝導を最小限に抑えるための第１段スリーブ１２及び第２段スリーブ１４より成る。このソックにはヘリウムガス３０が充填されるが、このガスは低温端部で約４．２Ｋ、高温端部で室温である。コールドヘッドの第１段スリーブ１２は、例えば４０Ｋ−８０Ｋの中間温度で熱を抽出するためにソック２２の中間熱ステーションに接続され、この中間熱ステーションにはスリーブ１４が接続されている。コールドヘッドの第２段２４は、ヘリウムガス再凝縮器２６に接続されている。首部を介する伝導により熱が発生し、熱放射シールド４２からだけでなく他の任意の熱源、例えば磁石用機械式懸架システム（図示せず）、浴に液体を充填するための保守用首部（図示せず）、計器配線アクセス手段、ガス脱出ルートなどから熱が放射される。中間セクション２２は、スリーブ１４で取り囲まれた空間からヘリウムガスが流出できるようにする通路３８を示す。中間セクションの周りに多数の通路を環状に分布させることが可能である。後者の空間は、磁石２０が配置される主要浴３６と流体連通関係にある。さらに、真空容器１６へソックを固着し易くするためにスリーブ１２に設けたフランジ４０を示す。放射シールド４２は、ヘリウム浴と真空容器の外壁との間に配置される。

コールドヘッドの第２段は、約４．２Ｋで再凝縮器として働く。周囲のヘリウムガスよりもわずかに低温であるため、その表面（表面積を増加するためフィンを設けることができる）上にガスが凝縮され、液体リザバー内へ滴下する。凝縮により局部的に圧力が低下するため、さらに多くのガスが第２段の方へ引き寄せられる。計算ではヘリウムの自然対流による損失はほとんどないことになっているが、これは、コールドヘッドとソックとが垂直に向けられていると仮定して（高温端部が上方にある）実験的に検証されている。ギフォード‐マクマホン冷却器と壁との間に温度分布の差があれが、たとえそれが小さなものであっても、温度によるガス密度の変化が大きいため（例えば、４．２Ｋで密度が１６ｋｇ／ｍ³、３００Ｋで密度が０．１６ｋｇ／ｍ³）、重力によるガスの対流が生じる。この対流により、ソックの壁と冷凍装置との間において温度分布が平衡状態になる傾向がある。残りの熱損失が軽微である。

この装置を傾けると、自然対流により大きな損失が生じる。この問題の解決法は、三菱への米国特許第５，５８３，４７２号に記載されている。しかしながら、この特許は垂直に向けられているかまたは垂線に対して角度が小さい（３０度未満）装置に関するものであるため、このことはさらに論じられていない。

パルスチューブ型冷凍装置（ＰＴＲ）は、４．２Ｋ（通常圧力における液体ヘリウムの沸点）またはそれ以下の温度で有用な冷却を行えることが示されている(C. Wang and P.E. Gifford, Advances in Cryogenic Engineering, 45, Edited by Shu et al., KluwerAcademic/Plenum Publishers, 2000, pp.1-7)。パルスチューブ型冷凍装置は魅力的であるが、その理由は、冷凍装置の低温部分に可動部品がないため振動が小さく、冷凍装置の摩耗が少ないからである。図２を参照すると、該図は、別個のチューブが熱ステーションで接合された構成のＰＴＲ５０を示す。各段について１つの熱交換器チューブ５２、５４が設けられているが、これらには異なる形状の固体材料（例えば、メッシュ、充填した球体、粉末）が充填されている。これらの材料は熱バッファとして働き、熱をＰＴＲの作動流体（通常は圧力が１．５−２．５ＭＰａのヘリウムガス）と熱交換する。各段に１つのパルスチューブ５６、５８が設けられているが、これらは中空で作動流体の膨張及び圧縮のために使用される。２段ＰＴＲでは、第２段のパルスチューブ５６は通常、第２段６０を室温の高温端部６２とリンクさせ、第１段のパルスチューブ５８は第１段６４を高温端部とリンクさせる。

真空中において最適条件の下で働くＰＴＲは通常、チューブの長さ方向に温度分布が生じ、これらの分布は同一温度範囲においてチューブ毎に、またソックの定常温度分布とはわずかに異なることが判明している。これを図３に示す。

図４は、従来技術の別のパルスチューブ型冷凍装置であって、パルスチューブがソックに挿入され、またヘリウム雰囲気に露出されて、第１及び第２段に重力による対流７０、７２が発生する装置を示す。ＰＴＲユニット５０には、外側真空容器１６の凹部にセットされた低温段３１、３３が設けられている。放射シールド４２は第１のスリーブの端部２２と熱接触関係にある。図示のように、再凝縮器２６は第２段の端壁３３上にある。所与の高さにおいて異なるコンポーネントに温度差がある場合、温度が高いコンポーネントは周りのヘリウムを加熱して浮力を与えるためヘリウムが上昇するが、温度が低いコンポーネントはガスを冷却するためガスは降下する。その結果、１バールのヘリウムガスの密度差が４．２Ｋと３００Ｋとの間で約１００倍変化するため、巨大な熱損失が生じる。ＰＴＲの正味冷却能力は、例えば、５０Ｋで４０Ｗ、４．２Ｋで０．５Ｗ乃至１Ｗである。計算によると、これらの損失は５−２０Ｗのオーダーであることが判明している。一般的に、パルスチューブの内部作動プロセスは影響を受けるが、これはＧＭ冷凍装置では起こらない。ＰＴＲでは、最適性能の基礎となるチューブの最適温度分布は多くのパラメータ、例えば、全てのチューブの幾何学的形状、流れ抵抗、速度、熱伝達係数、弁の設定などの作用をバランスさせる微妙なプロセスにより生じる(Ray Radebaugh, proceedings of the 6^th International Cryogenic Engineering Conference, Kitakyushu, Japan, 20-24 May, 1996, pp.22-44に説明されている)。

従って、ヘリウム雰囲気中では、ＰＴＲは必ずしも温度４Ｋに到達しないが、真空中では到達可能である。しかしながら、ＰＴＲは、中実の壁部を介して４Ｋと熱接触する真空ソックに挿入した場合、通常の動作を行う。かかる解決法は、ＧＭ冷凍装置（GEのWilliam E. Cohenへの米国特許第５，６１３，３６７号）に記載されているが、ＰＴＲの使用が可能であり簡単である。しかしながら、問題点として、４Ｋのコールドヘッドの熱接触により熱インピーダンスが発生し、これが利用可能な冷凍能力を事実上減少させるということがある。一例として、インジウムワッシャーで作製した最新式熱ジョイントを用いると、４Ｋで０．５Ｋ／Ｗの熱接触抵抗が得られる（GEの米国特許第５，９１８，４７０号を参照）。極低温冷凍装置が４．２Ｋで１Ｗを吸収できる場合（例えば、住友重工業のモデルＲＤＫ４０８）、再凝縮器の温度は４．７Ｋに上昇し、これが超伝導ワイヤーの電流搬送能力が劇的に減少させる。あるいは、ジョイントの遠隔側で冷却能力を利用できるようにするには最初に３．７Ｋで１Ｗを発生するより強力な極低温冷凍装置が必要であろう。

図５は、かかるＰＴＲ装置７６の一例を示す。このコンポーネントは図４に示したものと実質的に同一である。ＰＴＲのコールドヘッドの第２段とフィンを設けた熱シンク２６との間には熱ワッシャー７８が設けられている。熱ワッシャーと熱シンクとの間にはヘリウムを通さない気密の壁が設けられている。

発明の目的

本発明の目的は、改良型パルスチューブ冷凍装置を提供しようとするものである。

発明の概要

本発明の第１の局面によると、熱交換器チューブにフィンを設けた、極低温装置内のパルスチューブ型冷凍装置ＰＴＲが提供される。複数のフィンを設けるのが理想的である。これらのフィンは、環状ディスクを熱交換器チューブの長さ方向に離隔させたものが有利である。あるいは、フィンを外方に向いたフィンガまたはプロングにより構成してもよい。これらのフィンは単一の螺旋形状のものでもよい。連携のソックが全てのパルスチューブを取り囲んで、熱交換器とパルスチューブ及びソックの壁との間に小さな環状ギャップだけが残るようにするとよい。チューブの壁は、薄いゲージのステンレス鋼または合金のような材料で作成することが可能である。

本発明は、分布型冷凍装置として働く、即ち、熱交換器の長さ方向に沿って冷凍能力が分布したＰＴＲ用熱交換器を提供する。これは、この熱交換器が冷凍装置のソック（首部のチューブ、ヘリウムコラム及び他の構成要素）を通って下方に伝達される熱の一部を捕捉（吸収）できることを意味する。この熱が吸収されると第２段の性能が劣化するが、１つの考え方として、劣化は冷凍装置により抽出（捕捉）される熱よりも小さいため、冷却能力に正味の利得が生じる。熱交換器に沿ってフィンを配置することにより、熱交換器の分布した冷却能力は、ヘリウムコラムへの熱伝達を増加して（伝達のための表面積を増加して）増加する。即ち、フィンまたはバッフルは、ヘリウム雰囲気から熱交換器への分布した熱伝達に利用可能な表面積を増加するものと考えられる。

本発明実施のために発明者が考えた最適モードを、一例として説明する。以下の説明において、多数の特定の詳細事項は本発明の完全な理解を図ろうとするものである。しかしながら、当業者には、本発明は特定の実施例の変形例により実施可能であることが明らかであろう。

図６は、２段ＰＴＲ装置９０である本発明の第１の実施例を示す。熱交換器チューブ９２、９４及びパルスチューブ９６、９８を示すが、熱交換器チューブ９４にはフィンが設けられている。

図６Ａは、熱交換器チューブ９４の断面図であり、チューブ９４を取り囲む環状ディスクより成る環状フィン１０４を示す。チューブの壁部及びフィンは、好ましくは、オーステナイトステンレス鋼のような中位の熱伝導率を有する同一材料で同時に作るのが好ましい。利用可能な他の材料として、真鍮及びアルミニウム合金が含まれる。しかしながら、フィン及びチューブのコンポーネント材料が異なる場合、フィンを熱伝導率が高い材料で、またチューブを中位の熱伝導率の材料で形成するのが好ましい。低圧ＰＴＲでは、中位の熱伝導率を有する複合材料を使用し、複合材料に接着される銅または他の任意の高熱伝導率材料で形成したフィンを設けることができる。純粋な金属は、低温で高い熱伝導率を有することを注意されたい。

フィンは熱交換器と非常に良好な熱接触関係にある必要があるが、これは、例えば、半田付け、溶接またはろう付けにより達成可能である。フィンは、ヘリウムコラム、首部のチューブ及び首部内の他の構成要素を介して下方に伝達される熱を捕捉する。熱が吸収されると第２段の性能劣化が考えられるが、この能力の劣化は熱交換器により抽出される熱よりも少ないため、利用可能な冷却能力、従ってヘリウムガスの再凝縮速度に正味の利得が生じると思われる。フィンを設けると、利用可能な表面積の増加によりガスコラムとの熱伝達が増加するため分布冷却能力が増加する。これらのフィンは、３００Ｋの段から第１の段への熱負荷を最小限に抑えるために第１段の熱交換器上で使用することができる。この構成の別の利点として、これらのフィンは高温レベルと低温レベルとの間の自然対流に対して障壁として働くことができる。従って、自然対流及び第２段へのその熱負荷が減少する。

図７Ａ−Ｆは、フィンを設けたチューブ９４の種々の機械的実施例を示す。図７Ａでは、フィンはまっすぐなチューブの周りの環状のディスクのアレイ１２０より成る。チューブの壁は、排気時にへこむことなく周りのヘリウム圧力に耐えるに十分な厚さを有する。これらのフィンは等間隔で配置すると便利であり、同一寸法であるのが好ましい。

図７Ｂでは、フィンは熱交換器チューブ９４に固着された螺旋テープ１２０の形状を有する。図７Ｃでは、フィンは、ハリネズミのとげに似た構成のチューブ９４の周りに設けたスパイク１２６より成る。しかしながら、この構成はチューブの周りの対流を減少させないが、例えばクエンチ時に必要とされるチューブを介するガスの流れを容易にする。

図７Ｄにおいて、チューブ１２８はアコーディオンのベローズに似た波形である。図７Ｅでは、プレート１３０が９４’’’の周りに配置され、これらのプレートはチューブの軸と平行に固着されている。チューブ１３２を波形軸がチューブの軸と平行になるように波形に形成されている。

図７Ｆのチューブは、しわがチューブの軸に平行な波形である。図７Ｇでは、フィンはチューブの長さの一部のみを覆う環状フィンより成る。この種のチューブは上部セクションにとって好ましいが、その理由は、図３を参照するとわかるように、首部のチューブと第１の熱交換器の温度が対応するからである。即ち、第１の熱交換器チューブの長さに沿って完全にフィンを設けると効率的な動作にとって逆効果となる。

個々のチューブのフィンは互いに異なる形状でもよい。ある特定の例では、第１段と第２段の熱交換器の上にフィンを設けることが必要であろう。本発明の教示を、ＰＣＴ国際出願ＰＣＴ／ＥＰ０２／１１８８２の教示と共に使用することができる。換言すれば、チューブの壁を介する熱伝導を助けるフィンを熱交換器チューブに設けるだけでなく、パルスチューブを断熱してチューブの壁を介する熱伝導を減少させてもよい。

図８は、断熱スリーブを有するパルスチューブ１０１、１０３及びフィン１０４を有する熱交換器チューブ９４を示す。図９は、パルスチューブ１０１だけが断熱スリーブを有し、熱交換器チューブ９４にフィンを設けた構成を示す。図１０は、熱交換器チューブ９２にもフィン１０２が設けられている点を除き図８の構成と同じである。

ＭＲＩ装置の殆どの使用例の極低温、例えば４Ｋまたはそれに近い温度は２段冷却装置により作動されるが、同じ技術を単一段冷却装置または３段またはそれ以上の段を有する冷却装置に適用することも可能である。

ＭＲＩ磁石における２段ギフォード‐マクマホンコールドヘッド型再凝縮器を示す。 別個のチューブが熱ステーションで接合された構成のＰＴＲを示す。 ソックにおける温度分布を示す。 ソックに挿入されたパルスチューブを示す。 取り外し可能な熱接点を有するパルスチューブの従来例を示す。 本発明の第１の実施例を示す。 第１の実施例の熱交換器チューブの断面図である。 熱交換器チューブの１つの形状を示す。 熱交換器チューブの別の形状を示す。 熱交換器チューブの別の形状を示す。 熱交換器チューブの別の形状を示す。 熱交換器チューブの別の形状を示す。 熱交換器チューブの別の形状を示す。 熱交換器チューブの別の形状を示す。 本発明のさらに別の変形例を示す。 本発明のさらに別の変形例を示す。 本発明のさらに別の変形例を示す。

Claims (17)

1. 極低温装置内のパルスチューブ型冷凍装置（ＰＴＲ）であって、ＰＴＲの熱交換器チューブにフィンが設けられているＰＴＲ装置。
2. 第１の熱交換器チューブの長さの一部にわたってフィンが設けられている請求項１のＰＴＲ装置。
3. ２段構成であり、第２段の熱交換器チューブにフィンが設けられている請求項１または２のＰＴＲ装置。
4. 多段構成である請求項１または２のＰＴＲ装置。
5. 熱交換器チューブが低温で中位の熱導電率を有する薄壁の合金で作成されている請求項１乃至４のうち任意の１項のＰＴＲ装置。
6. フィンは環状フィンである請求項１乃至５のうち任意の１項のＰＴＲ装置。
7. 環状フィンは熱交換器チューブの外側に沿って規則的に離隔されている請求項６のＰＴＲ装置。
8. 環状フィンのサイズは一様でない請求項６のＰＴＲ装置。
9. フィンは１またはそれ以上の螺旋形状のストリップシートより成る請求項１乃至５のうち任意の１項のＰＴＲ装置。
10. フィンは外側に延びるプロングより成る請求項１乃至５のうち任意の１項のＰＴＲ装置。
11. フィンは熱交換器チューブの周面に固着された矩形のシートより成り、これらのシートは熱交換器チューブに一方の端縁部が固着されている請求項１乃至５のうち任意の１項のＰＴＲ装置。
12. 熱交換器チューブはその壁の一部を構成するフィンを画定するように波形であり、この波形は熱交換器チューブの軸に関して軸方向かまたはその垂直方向に波形である請求項１乃至５のうち任意の１項のＰＴＲ装置。
13. フィンは請求項６乃至１２に従うタイプの１またはそれ以上のフィンである請求項１乃至５のうち任意の１項のＰＴＲ装置。
14. １またはそれ以上のパルスチューブは断熱壁部を有する請求項１乃至１３のうち任意の１項のＰＴＲ装置。
15. 磁気共鳴イメージング装置に連携する請求項１乃至１２のうち任意の１項のパルスチューブ型冷凍装置。
16. 熱交換器チューブにフィンを設けた極低温装置内のパルスチューブ型冷凍装置（ＰＴＲ）を使用する方法であって、ＰＴＲ装置のチューブを取り囲む雰囲気から熱交換器チューブに連携するフィンを介して熱交換器チューブへ熱を伝達するステップより成る方法。
17. 再凝縮器は磁気共鳴イメージング装置に連携している請求項１６の方法。

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