JP2005210015A - 極低温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温冷凍機ユニットの構造物に大きな力を加えることなく、冷却ステージで再現性良く良好な熱接触を実現できる極低温装置を提供すること。
【解決手段】極低温冷凍機ユニット１の冷却ステージ３と被冷却体２との間に間隙が設けられ、該間隙に熱ジョイント４が介在された極低温装置において、前記熱ジョイント４は、前記被冷却体２の保冷温度よりも高い融点をもち、室温大気圧において液体または気体を呈する物質からなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導マグネット等を冷却する極低温装置に関するものである。

周知のように、超伝導磁石（マグネット）装置は、超電導特性を維持するために極低温に保冷する必要がある。保冷する手段としては液体ヘリウム等の冷媒中に超伝導磁石を浸漬する方法や，冷媒を用いず極低温冷凍機によって直接超電導磁石を冷却する方法がある。
図１３に従来の極低温装置の構成を示す。この図に示されるものは、医療用器具等として知られるＭＲＩ（磁気共鳴断層撮影装置）であり、中心軸が横向きのソレノイド型超電導マグネットを収納した極低温装置の縦断面を示している。

この極低温装置は、極低温冷凍機ユニット５１、真空容器５２と、真空容器５２の中に設けられ大きな磁場を発生する超電導磁石５３、およびこの超電導磁石５３を収納し、超電導磁石５３を冷却するための液体ヘリウム５４を蓄える液体ヘリウム槽５５、真空容器５２から液体ヘリウム槽５５への輻射熱を減らすために真空容器５２と液体ヘリウム槽５５の間に配置された熱シールド５６を備えている。
極低温冷凍機ユニット５１は２段構成になっており、１段目冷却ステージ５７が熱シールド５６と、また２段目冷却ステージ５８が再凝縮器５９とそれぞれ熱的に接続されて必要な温度に冷却されている。冷凍機５１が収納されている冷凍機スリーブ６０と液体ヘリウム槽５５は連通しており、液体ヘリウム槽５５上部と冷凍機スリーブ６０内には超電導マグネット５３の運転温度における飽和蒸気圧力のヘリウムガスが充満している。

このようにヘリウムガス再凝縮タイプの極低温装置においては、極低温冷凍機ユニット５１は２段目冷却ステージ５８において４．２Ｋでも冷凍能力を持つものが採用される。
このため再凝縮器５９はその表面温度が液体へリウム温度よりも低く保たれており，液体ヘリウム５４のガス相部と接触することで、へリウムガスを再凝縮させて再び液体に戻すことができる。この仕組みにより図１３の構成では、極低温冷凍機ユニット５１が動作する限り液体ヘリウム５４を補充する必要がなく、装置使用者が極低温冷媒の存在を意識せず極低温装置を使用できるようになっている。

ところで、図１３に示したような極低温冷凍機ユニット５１は定期的に内部の部品を交換したり、冷凍機ユニット５１に圧縮ガスを供給するコンプレッサーユニットのメンテナンスのため冷凍機ユニット５１の運転を中断する必要がある。このメンテナンス作業中は前記液体ヘリウム槽５５への熱侵入が増え、結果として液体へリウム５４の蒸発を促すことになる。さらにこの作業中は極低温冷凍機ユニット５１による再凝縮作用がないため、蒸発した液体ヘリウム５４は全て装置外に放出される。
従って、これを繰り返せば次第に液体ヘリウム５４の量が減り、再び補充することから免れえず、装置の運転費用がかさむ事になる。したがって図１３のような装置ではメンテナンス時間を極力短くし、液体ヘリウム槽５５への総熱侵入量を減らす必要がある。

前記コンプレッサーを停止する程度であれば、さほど長い時間は要さないが、冷凍機ユニット５１をメンテナンスする場合は相当の時間を要することに注意が必要である。すなわち、冷凍機スリーブ６０から冷凍機ユニット５１を抜きとり、新しい冷凍機ユニット５１を冷凍機スリーブ６０に挿入し、続いてこれを起動して新しい極低温冷凍機ユニット５１が定常状態になるまで待つという過程が避けられない。
上記過程から分かるように、メンテナンス時間を短縮するためには、冷凍機ユニット５１の抜き差しを迅速に行うのみならず、冷凍機ユニット５１が再び定常状態になるまでの時間をも短くする必要があり、実質上数時間以下にはならないという問題があった。

極低温冷凍機のメンテナンスにおける２番目の問題は、冷凍機ユニット５１と被冷却体の間の熱抵抗に関係している。
すなわち図１３に示したような装置構成において極低温冷凍機ユニット５１の能力を充分に引き出すためには、１段目冷却ステージ５７と前記熱シールド５６、および２段目冷却ステージ５８と再凝縮器５９の間の熱的な接続を再現性良く、かつ良好に保つ必要がある。例えば１段目冷却ステージ５７と熱シールド５６の接続が良好でない場合、単位熱量が接続面を通過する際界面に生じる温度差（接触熱抵抗）が大きくなり、熱シールド５６の温度が上昇して液体ヘリウム槽５５への熱侵入が増えるからである。最悪の場合、液体ヘリウム槽５５への熱侵入量が再凝縮器５９の再液化能力を上まわり、極低温冷凍機ユニット５１が稼動している間でも液体へリウム５４の蒸発分を全量再液化できなくなることになる。つまり定期的に寒剤（液体ヘリウム）を補充する必要が生じ、極低温装置の使い勝手を著しく損なう結果を招く。

２段目冷却ステージ５８と再凝縮器５９との接続が良好でない場合は更に影響が深刻である。つまり図１３に示されたような極低温冷凍機ユニット５１においては、１段目冷却ステージ５７よりも２段目冷却ステージ５８の冷凍能力の方が圧倒的に冷凍能力が小さく、冷却ステージで生じる小さな温度差も冷凍に及ぼす影響が大きい。例えば同じ１Ｋの温度差でも１段目、２段目冷却ステージの動作温度に対する比率を考えればこれは明らかである。
したがって２段目冷却ステージ５８と再凝縮器５９の間の温度差が大きくなった場合、再凝縮器５９の温度が充分に下がらない結果、最悪の場合、フィンの表面温度が液体ヘリウム５４の温度より高くなり、再凝縮機能を失って上述した寒剤補充の必要性を生じるのである。

冷凍機〜被冷却体間の熱抵抗が増加する原因として、冷凍機スリーブ６０内の汚染の問題があった。
即ち、極低温冷凍機ユニット５１をスリーブ６０から抜き取る場合、冷凍機スリーブ６０の内部は外気温度よりも低い状態にあり、一般にその温度は熱シールド５６で３０〜６０Ｋ、冷凍スリーブ６０の底で３〜５Ｋ程度である。従って、外気が冷凍機スリーブ６０内部に混合しないよう完璧な措置を取らない限り極低温冷凍機ユニット５１が排除していた容積分の気体が真空容器５２外部から侵入し、冷凍機スリーブ６０内部に水蒸気、及び空気を結露、固着させる。その結果、１段目冷却ステージ５７と熱シールド５６の接触界面などにおける実接触面積が減少し、熱抵抗を増加させ、前述したものと同様の問題が生じかねない。

これまで、上述したメンテナンス時間の短縮と、冷凍機〜被冷却体間の熱抵抗を減らすという２つの大きな課題を解決する試みが多くなされてきた。
例えば、特開２０００−４９０１０号公報（特許文献１）に記載のものが公知である。
この従来の技術は、液体ヘリウム容器を密閉型として、寒剤の補充を不要としたものであった。また、極低温冷凍機ユニットの冷却ステージと液体ヘリウム容器（槽）の再凝縮部との間に所定の間隙を設け、該間隙にインジウムガスケットからなる熱ジョイントを介在して、冷凍機〜被冷却体間の熱抵抗を減らすというものであった。

しかし、前記特許文献１記載のものでは、インジウムのように軟らかい金属であっても、その熱抵抗を減らす効果を有効にするためには、非常に大きい圧力でガスケットを挟み込むことが必要であり、冷凍機ユニットを損傷させるおそれがあった。
即ち、極低温における２物体の接触面の接触熱抵抗は，接触面の面圧が高いほど小さくなるので、熱ジョイントにおける接触面の熱伝達を良好にするには、できるだけ接触面同士を高い圧力で押し当てることが望ましい。しかし、通常、極低温冷凍機ユニットの１段目及び２段目冷却ステージ間は、熱侵入を小さくするため、非常に肉厚の薄い材料で作られている事が多く、冷凍機ユニット本体に大きな力をかけると破損するおそれがあった。

逆に、押圧力が不足すると、熱抵抗が大きくなるので、締め付け過ぎず且つ締め足らなくならないように、冷凍機ユニットの取付位置を調整することは極めて困難であった。
また、メンテナンス等のために極低温冷凍機ユニットを取り外した場合、前記インジウムガスケットを用いたものでは、この部分から液体ヘリウム容器内へ熱が侵入するおそれがあり、再稼働のために長時間を要するおそれがあった。
さらに、極低温冷凍機ユニット脱着後にガスケットを交換する手間等が生じるため、メンテナンスの時間が多くなるという問題があった。

そこで上記問題を解決する試みとして、特開平１１−３２５６２９号公報（特許文献２）に記載のように、２段目冷却ステージと被冷却体の間の熱ジョイントに、極低温の液体を導入し、被冷却体上での液体の蒸発、２段目冷却ステージでの再凝縮による熱伝達機構が提案されている。
この特許文献２に記載の従来技術では、冷媒の蒸発再凝縮によって熱ジョイントを行うものであり、熱ジョイント媒体が固体でないため、冷凍機ユニットの脱着は非常に容易に行え、しかも冷却ステージには力がかからないため、取り付け位置誤差をさほど気にかける必要も無いなど利点は多い。

しかし、この従来技術が前提としている金属系の超電導線材で構成された超電導マグネットなど、液体ヘリウム温度以下に被冷却体を保持する必要がある場合には、考え得る熱ジョイント媒体（寒剤）は、液体へリウムでしかありえない。それにも増して被冷却体〜冷凍機ユニットの間に寒剤の沸騰、再凝縮という機構が直列に２つ必要となり、固体を介した熱伝導に比べ大きな温度差を強いられ、効率が悪いと言う問題がある。
また、前記特許文献１又は２の何れの技術においても、冷凍機スリーブ内の汚染の問題については解決できていないものであった。
特開２０００−４９０１０号公報 特開平１１−３２５６２９号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、極低温冷凍機ユニットの構造物に大きな力を加えることなく、冷却ステージで再現性良く良好な熱接触を実現できる極低温装置を提供することにある。
また、極低温冷凍機メンテナンス時には容易に冷凍機ユニットを脱着できる極低温装置を提供することにある。
さらに、極低温冷凍機ユニットを取り外したときにも、スリーブ内が外気などにより汚染されず、また、被冷却体に熱が侵入し難い極低温装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。即ち、本発明の特徴とするところは、極低温冷凍機ユニットの冷却ステージと被冷却体との間に間隙が設けられ、該間隙に熱ジョイントが介在された極低温装置において、前記熱ジョイントは、前記被冷却体の保冷温度よりも高い融点をもち、室温大気圧において液体または気体を呈する物質からなると共に、凝固状態において熱スイッチオン状態である点にある。
前記構成において、極低温冷凍機ユニットの稼働時は、熱ジョイントの物質は固体を呈する。非稼働時は、液体又は気体を呈するようにできる。

通常、如何なる物質も固体から気体に相変化することで極端に熱伝導率が低くなるが、極低温に融点を持ち、常温で気体として存在する物質は、固体状態での熱伝導率が非常に高く、合金と同程度である。
従って、本発明では、熱ジョイントが、極低温冷凍機ユニットの稼働時は熱スイッチをオンにした状態になり、被冷却体を効率よく冷却する。
本発明の極低温装置においては、被冷却体から極低温冷凍機ユニットを取付け又は取外すとき、熱ジョイントを液相又は気相状態とすることができ、その着脱が容易である。また、取り付けに際しては、間隙を介して取付けるので、取付位置調整が容易になり、また液相又は気相状態の熱ジョイントに対して取り付ければ、押付力が不要となるので、極低温冷凍機ユニットを損傷させるおそれはない。

前記熱ジョイントの物質は、窒素、ネオン、パラ水素、及び水からなる群より選択される少なくとも一つを含むものである。
前記被冷却体には前記熱ジョイントを収納するスリーブが設けられている。
前記熱ジョイントを加熱する加熱手段が設けられているのが好ましい。
この加熱手段により固体状の熱ジョイントを強制的に液体又は気体に相変化させることができるので、極低温冷凍機ユニットの取り外し時間が短縮される。
前記スリーブには、前記物質を貯留するバッファー容器を設け、該バッファー容器が連結管を介して前記熱ジョイントと接続されているのが好ましい。

前記バッファー容器に貯留される物質が水素であり、該水素をオルソ−パラ水素変換させるための触媒を有する触媒槽が、前記連結管に介在されているのが好ましい。
前記被冷却体は、超電導マグネットと液体ヘリウムとを収納した液体ヘリウム容器を有し、該ヘリウム容器の上部に前記スリーブが設けられ、該スリーブ内を上下に密閉状に仕切る再凝縮器が設けられ、該再凝縮器の上面に前記熱ジョイントが形成されているものとすることができる。
前記液体ヘリウム容器の外周域は熱シールドにより覆われており、該熱シールドの外周域は真空容器で覆われており、該真空容器と前記ヘリウム容器間にわたって前記スリーブが設けられ、該スリーブ内に前記冷却ステージが挿脱自在に設けられている構成とすることができる。

前記冷却ステージは、高温側の１段目冷却ステージと低温側の２段目冷却ステージとを有し、前記１段目冷却ステージは前記熱シールドを冷却し、前記２段目冷却ステージは前記液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムのガス相部を冷却するように構成され、前記１段目および／または２段目冷却ステージに前記熱ジョイントが設けられているのが好ましい。
前記被冷却体は、超伝導マグネット自体である構成とすることができる。
前記被冷却体の熱ジョイントに接する面は、銅などの熱伝導率の大きい材質で形成され、前記スリーブは、前記銅などよりも熱伝導率の小さいステンレスなどの材料で構成され、該スリーブには、上下方向の変形を吸収するための変形吸収部が設けられているのが好ましい。

本発明によれば、極低温冷凍機ユニットの構造物に大きな力を加えることなく、当該ユニットで再現性良く良好な熱接触を実現できる。
また、極低温冷凍機メンテナンス時には容易に冷凍機ユニットを脱着できる。
さらに、極低温冷凍機ユニットを取り外したときにも、被冷却体に熱が侵入しにくいという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示すものは、極低温装置の一例であるＭＲＩの模式断面である。この極低温装置は、極低温冷凍機ユニット１と被冷却体２とを備えている。極低温冷凍機ユニット１は冷却ステージ３を有する。この冷却ステージ３と被冷却体２との間に間隙が設けられ、該間隙に熱ジョイント４が介在されている。この熱ジョイント４は、前記被冷却体２の保冷温度よりも高い融点をもち、室温大気圧において液体または気体を呈する物質からなると共に、凝固状態において熱スイッチオン状態であるものとされている。

前記冷却ステージ３は、１段目冷却ステージ５と２段目冷却ステージ６とを直列状に備えているものが例示されている。２段目冷却ステージ６は、１段目冷却ステージ５よりも低温で４Ｋ程度とされているが、その冷却能力は１段目よりも低いものとされている。
前記被冷却体２は、超電導マグネット７と液体ヘリウム８とを収納した液体ヘリウム容器９を有する。この液体ヘリウム容器９の外周域は熱シールド１０により覆われている。この熱シールド１０の外周域は真空容器１１で覆われている。この真空容器１１と前記ヘリウム容器９間にわたってスリーブ１２が設けられている。

このスリーブ１２は円筒状に形成され、前記熱シールド１０を貫通している。このスリーブ１２内に前記極低温冷凍機ユニット１の冷却ステージ３が位置するように、前記極低温冷凍機ユニット１が着脱自在に設けられている。この冷却ステージ３における２段目冷却ステージ６の端面と液体ヘリウム容器９間に間隙が設けられ、この間隙に前記熱ジョイント４が形成されている。
前記真空容器１１は、内周壁１３と外周壁１４が所定間隔を有して同心円状に配置され、左右両側壁１５，１５により前記内外周壁間が閉じられた、リング状の内部空間を有する容器である。この真空容器１１はその中心軸線が水平になるよう配置される。前記リング状内周壁１３によって形成される中心部空間の左右両端は開口している。

前記真空容器１１のリング状空間に収納される熱シールド１０及び液体ヘリウム容器９も真空容器１１と同様の両端閉塞された円筒状に形成されている。液体ヘリウム容器９に収納される超電導マグネット７もリング状に形成されている。超電導マグネット７、液体ヘリウム容器９、熱シールド１０及び真空容器１１は同心状に配置されている。
前記真空容器１１のリング状空間内は、所定の真空圧に維持され、熱シールド１０内も同圧に維持される。
前記液体ヘリウム容器９に収納される液体ヘリウム８の液面と液体ヘリウム容器９内面間に空間が形成され、該空間に飽和蒸気圧のヘリウムガス１６が充満している。

前記スリーブ１２の下端は、液体ヘリウム容器９の上面に気密状に接続している。スリーブ１２と液体ヘリウム容器９とは、溶接などにより一体化されている。このスリーブ１２内を上下に密閉状に仕切るように再凝縮器１７が設けられている。
この再凝縮器１７は、前記スリーブ１２内面に密嵌する遮蔽板１８と、遮蔽板１８の下面に垂設されたフィン１９とを有する。この再凝縮器１７は、スリーブ１２内面に固定されずに、液体ヘリウム容器９に固定されるものであっても良い。
この再凝縮器１７は銅などの熱伝導率の大きな材質で構成されている。前記スリーブ１２は、ステンレスなどの熱伝導の低い不良導体材料で構成され、その上端部は、真空容器１１の部分で開口している。この開口部から極低温冷凍機ユニット１の冷却ステージ３が挿入される。スリーブ１２上端の開口部は極低温冷凍機ユニット１の装着によって気密状に閉じられる。

スリーブ１２内で、１段目冷却ステージ５は、熱シールド１０に熱的に接続され、該熱シールド１０を冷却する。２段目冷却ステージ６の下端面と前記再凝縮器１７の遮蔽板１８の上面間に、所定の間隙が形成されている。この間隙に前記熱ジョイント４を構成する物質が充填されている。
前記熱ジョイント４は、前記被冷却体２の保冷温度よりも高い融点をもち、室温大気圧において液体または気体を呈する物質からなるものとされている。この物質の充填量は、固体状態で、２段目冷却ステージ６と再凝縮器１７とを熱的にジョイントするに足りる量とされている。具体的には、前記熱ジョイント４の物質は、窒素、ネオン、パラ水素、及び水からなる群より選択される少なくとも一つを含むことが好ましい。更に前記物質はこれら単独若しくは混合物が主成分であることが好ましい。これら単独で且つ高純度品（例えば９９．９９％以上）を用いると熱伝導性が良く、さらに好適である。

前記構成の本発明の実施の形態によれば、熱ジョイント４の物質として窒素が用いられている。図１の稼働状態においては、熱ジョイント４は固体を呈し、スリーブ１２内には飽和蒸気圧の窒素ガスが存在している。
固体窒素の熱伝導率は、一般に超電導マグネット７が運転される４．２Ｋ付近で最大値約２０Ｗ／ｍ／Ｋを取り、その値は半田などのような合金にも匹敵する。このため２段目冷却ステージ６と再凝縮器１７の間の温度差を非常に小さくする事ができる。例えば２段目冷却ステージ６と再凝縮器１７の間隙を1×1０^-4ｍ、２段目冷却ステージ６の冷凍能力が１Ｗ、伝熱面積が０．００５ｍ²である場合、その温度差は僅か０．００１Ｋとなる。すなわち、２段目冷却ステージ６を金属的に再凝縮器１７に接続した場合と比べてもなんら遜色のない熱接触が得られる事になる。

極低温冷凍機ユニット１をメンテナンスや修理のために取り外す場合、冷凍機ユニット１の動作を停止させる。それにより、熱ジョイント４の温度が上昇し、固体窒素は融解するので、２段目冷却ステージ６と再凝縮器１７との分離が可能になる。
極低温冷凍機ユニット１を装着するには、スリーブ１２内へ液体窒素を導入し、再凝縮器１７の上面に所定厚みの液層を形成する。そして、極低温冷凍機ユニット１をスリーブ１２内に装着し、２段目冷却ステージ６の下端を液体窒素に沈める。そして、冷凍機ユニット１を起動すると、液体窒素は、２段目冷却ステージ６によって冷却されやがて固体になり、この固体窒素の熱ジョイント４を介して、２段目冷却ステージ６は再凝縮器１７に熱的に結合される。

図２に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、前記図１と同じ部分は同一符号で示す。図１に示すものと異なる点は、スリーブ１２内の熱ジョイント４物質を加熱する加熱手段２０が設けられている点である。
即ち、加熱手段２０は、スリーブ１２に接続されたガス導入管２１を有する。この導入管２１の一端は、熱ジョイント４近傍のスリーブ１２内に開口し、他端は、真空容器１１の外部に配管され、この外部端には、ガス導入バルブ２２が設けられている。このバルブ２２に窒素ガス供給装置（図示省略）を接続し、窒素ガスを供給することにより、熱ジョイント４を加熱し、固定窒素を溶解させる。

又この実施の形態ではスリーブ１２の構造が図１に示すものと異なっている。
即ち、スリーブ１２には、１段目冷却ステージ５を囲繞する上部スリーブ２３と、２段目冷却ステージ６を囲繞する下部スリーブ２４からなる。
上部スリーブ２３は、熱の不良導体で円筒状に形成され、その上端部に径外方向に突出する上部フランジ２５が形成されている。上部スリーブ２３の上下方向中途部には、上下方向の変形を吸収するための変形吸収部２６が設けられている。この変形吸収部２６はベローズ（蛇腹）状に形成されている。上部スリーブ２３の上端開口部には、上蓋２７がＯリング２８を介して気密状に嵌合し、該上蓋２７は、前記上部フランジ２５に着脱自在に固定される。

この上蓋２７に極低温冷凍機ユニット１が固定されている。この上蓋２７と真空容器１１との相対高さを調整する調整ボルト２９が前記上部フランジ２５に設けられている。上蓋２７には逆止弁３０が装着されており、スリーブ１２内圧が大気圧に対して一定圧力以上になった場合、その圧力を保持するようになっている。
上部スリーブ２３の下端に下部フランジ３１が接合されている。この下部フランジ３１は熱の良導体で構成され、１段目冷却ステージ５と接触ししている。この下部フランジ３１は銅の編み組線（Cu braid)３２で熱シールド１０と熱的にリンクされている。

下部スリーブ２４は、熱の不良導体で構成され、その上端は、前記下部フランジ３１に接続している。下部スリーブ２４の下部に変形吸収部２６がベローズ形式で形成され、その下端が液体ヘリウム容器９に接続している。
下部スリーブ２４の変形吸収部２６よりも上部において、下部スリーブ２４の内部は遮蔽板１８により上下に気密状に区画されている。この遮蔽板１８は熱の良伝導材で構成されている。この遮蔽板１８下面にフィン１９が設けられ、遮蔽板１８及びフィン１９により再凝縮器１７が構成されている。

再凝縮器１７の上面と２段目冷却ステージ６下端面間に隙間が形成され、該隙間に熱ジョイント４の物質が充填されている。この熱ジョイント４の底付近には側面に前記ガス導入管２１が接続されており、この管２１は室温部にある真空容器１１を貫通して極低温装置の外部でガス導入バルブ２２に接続され、装置外からスリーブ１２の底付近に加温用ガスを導入できるようになっている。
図３〜５に示すものは、前記図２に示す装置の動作説明図である。
予冷開始時、スリーブ１２は図３の状態にある。スリーブ１２上端部は開かれ、大気と連通している。ここでまず被冷却体２を寒剤で予冷する。本発明では被冷却体予冷に伴う寒剤の蒸発ガスはスリーブ１２から大気放出されないため、液体ヘリウム容器９に液体ヘリウム８が溜まった段階でもスリーブ１２内の再凝縮器１７の温度は相当高い温度（例えば液体窒素温度以上）に保たれている。

次に図４のようにスリーブ１２の底に液体窒素３３を溜める。
次に極低温冷凍機ユニット１をスリーブ１２に挿入する。冷凍機ユニット１の２段目冷却ステージ６が液体窒素３３に浸るとともに予冷され、逆に２段目冷却ステージ６から熱を奪って蒸発した窒素は、スリーブ１２上端開口部から大気中に放出される。液体窒素３３の蒸発が激しい間は、スリーブ上蓋２７を完全に上端フランジ２５に密着させず、多少内部を大気と連通させた状態にするとよい。
２段目冷却ステージ６の予冷が完全に終わり、液体窒素３３の蒸発速度が一定値に近づいた段階で、図５に示すように、ガス導入バルブ２２より、ガス導入管２１経由でスリーブ１２の底に窒素ガスを送り込み、余分な液体窒素３３を蒸発させ、２段目冷却ステージ６と再凝縮器１７の間隙にのみ液体窒素３３が存在する程度に液量を調整する。

次に上蓋２７を上部フランジ２５に完全に密着させ、スリーブ１２内を密閉し、極低温冷凍機ユニット１を起動する。ここで極低温冷凍機ユニット１の２段目冷却ステージ６は充分予冷されているので、冷却ステージ３は速やかに定常運転温度に達することができる。
２段目冷却ステージ６の温度が下がるにしたがい液体窒素温度も降下し、やがて固体に変化する。スリーブ１２内のほとんどの部分はわずかに飽和蒸気圧力の気体が存在するのみとなる。

しかして、熱ジョイント４を介して２段目冷却ステージ６は、再凝縮器１７を冷却する。
続いて極低温冷凍機ユニット１を交換する場合の手順を説明する。
まず冷凍機ユニット１の動作を停止し、ガス導入バルブ２２よりガス導入管２１を経由して窒素ガスを導入して下部スリーブ２４を昇温する。スリーブ１２に導入された窒素ガスは、最終的に上蓋２７の逆止弁３０より大気に放出されるが、その間に熱ジョイント４に形成された固体窒素を融解し、やがて蒸発させて、２段目冷却ステージ６を遮蔽板１８から切り離す。再凝縮器１７と液体ヘリウム容器９の間は熱不良導体である下部スリーブ２４で隔離されているため、液体へリウム容器９への熱侵入量は低く抑えられており、メンテナンス作業中、液体ヘリウム全体が４．２Ｋになることはない。

２段目冷却ステージ６周辺の固体窒素が蒸発し、完全になくなった段階で、極低温冷凍機ユニット１と上蓋２７を持ち上げ、冷凍機ユニット１を取り外す。この取り外し中も常にガス導入管２１からは窒素ガスを導入し続けることで、スリーブ１２内への空気成分混入を極力防止する事ができる。冷凍機ユニット１が完全に取り外された段階で遮蔽板１８よりも上の下部スリーブ２４内は、例えば８０Ｋ付近にまで昇温されている。
次に予冷時と同様、スリーブ１２内に液体窒素を導入する。この場合は、スリーブ１２内が既に充分低い温度になっているため、さほど大量の液体窒素の蒸発は見られない。

次に新しい極低温冷凍機ユニット１をスリーブに挿入する。以降は前記クライオスタット予冷時と同じ手順を踏み、冷凍機ユニット１を起動するに至る。この場合も予冷時同様、スリーブ１２内は充分に予冷された後であり、冷凍機ユニット１は速やかに定常運転温度に到達する事ができる。
前記実施の形態によれば、ガス導入管２１により、冷凍機交換作業中にスリーブ１２内に大気を巻き込む心配がなく、清浄に保つべき熱接触面の特性劣化を防ぐ事ができる。
更に４．２Ｋ付近でリン脱酸銅と同程度の熱伝達率を持つ固体窒素を熱ジョイント４の物質として採用したことにより、熱ジョイント４のサイズをCu Bradeなどに比べてよりコンパクトにでき、しかも熱ジョイント４における温度差をより小さくすることができる。しかも本発明の実施の形態の構成によれば、局所的な昇温が可能であるため、固体窒素を気化させるだけで２段目冷却ステージ６を脱着可能な状態にでき、冷凍機ユニット１の交換作業を速やかに行う事ができる。

図６に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、被冷却体２が極低温寒剤中に浸漬されていない冷凍機直接冷却型極低温装置に適用した例である。
超電導マグネットに代表される被冷却体２が真空容器１１に収納されており、極低温冷凍機ユニット１の２段目冷却ステージ６により冷却されている。また真空容器１１から被冷却体２への熱輻射を減らすため、熱シールド１０が真空容器１１と被冷却体２の間に設けられ、極低温冷凍機ユニット１の１段目冷却ステージ５で冷却されている。極低温冷凍機ユニット１はスリーブ１２に収納されており、スリーブ１２の下端部には底蓋３４が設置されており、極低温冷凍機ユニット１の２段目冷却ステージ６と熱ジョイント４を介して熱的に接触している。

この実施の形態では、被冷却体２が図２における再凝縮器の作用により間接的に冷却されないことを除けば、図２と全く同じ構成であり、図２で説明したのと全く同じ手順を冷凍機交換作業において適用する事ができる。
したがって本実施の形態によれば、冷凍機交換作業において被冷却体温度を８０Ｋ付近にまで上昇させることができればよく、従来のように室温まで昇温するために多大な熱量を必要としないため、経済的にしかも迅速にメンテナンスを実施する事が可能となる。
図７に示すものは、本発明の他の実施の形態である。

前記スリーブ１２には、前記熱ジョイント４の物質を貯留するバッファー容器３５が接続されている点が前記各実施の形態と異なっている。また加熱手段２０が、熱ジョイント４の近傍に設けられたヒータである点が異なっている。
前記バッファー容器３５は、熱シールド１０の内面に固定されており、連結管３６を介してスリーブ１２内部と連通しており、内部の物質を行き来させることができるように構成されている。
熱ジョイント４の物質の量は、それが固体状態となったとき、熱ジョイント４においてのみ固体相が形成され、バッファー容器３５内部にはガス相が来るように調整されている。

前記加熱手段２０は、熱ジョイント４の温度を任意温度に昇温できるように構成されている。
この実施の形態によれば、極低温冷凍機ユニット１を取り外す際、加熱手段２０を動作状態にして、熱ジョイント４の物質が気体に相変化する温度に保つ。この操作により、物質は膨張し、あふれ出した物質は、バッファー容器３５に移行するが、バッファー容器３５の内容積を熱ジョイント４に比べて１００倍程度にしておくことにより、内部の圧力をさほど上昇させることはない。逆にバッファー容器３５やスリーブ１２の耐圧などから、このガス化後の内圧設定をすればよい。

次に新しい極低温冷凍機ユニット１を取り付けて稼働させるとき、稼働後も冷凍機ユニット１の１段目冷却ステージ５及び２段目冷却ステージ６の各温度が定常運転温度に達するまでは時間を要する。しかし、定常運転温度になるまでは２段目冷却ステージ６では熱ジョイント４での熱スイッチがオフ状態であるから、再凝縮器１７及び液体ヘリウム容器９への熱侵入は極力低く保つことができる。
次に極低温冷凍機ユニット１の２段目冷却ステージ温度が熱ジョイント物質の沸点以下、融点以上になった時点で、加熱手段２０の設定温度を該温度に変更する。極低温冷凍機ユニット１が稼働状態であるので、熱ジョイント４の温度は速やかに低下し、主にバッファー容器３５に蓄えられていた充填物質が熱ジョイント４の部分で液化してゆく。液化の際、発生する凝縮熱は、冷凍機ユニット１により奪われることになる。最終的に熱ジョイント４の物質の液が満ちた時点で、加熱手段２０の動作を停止すれば、速やかに熱ジョイント４の物質の固体相が形成され、メンテナンス前の状態に復帰する。

図８に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、被冷却体２が極低温寒剤中に浸漬されない冷凍機直接冷却型に図７の構成を採用したものである。
図９に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、前記バッファー容器３５に貯留される物質が水素であり、該水素をオルソ−パラ水素変換させるための触媒を有する触媒槽３７が、前記連結管３６に介在されている。触媒槽３７は、熱良導体３７ａにより２段目冷却ステージに熱的結合されている。バッファー容器３５は、熱良導体３５ａにより１段目冷却ステージ５に熱的結合されている。バッファー容器３５に供給管が３５ｂが接続され、該供給管３５ｂは、真空容器１１の外方に延出している。前記触媒槽３７の触媒により、パラ水素が熱ジョイント物質として用いられる。

パラ水素の熱伝導率は４Ｋ付近で１Ｗ／ｃｍ／Ｋを超えるが、沸点近くの２０Ｋ付近では約０．００８Ｗ／ｃｍ／Ｋであり、沸点を超え４０Ｋ付近では、０．０００４Ｗ／ｃｍ／Ｋとなり、その比は２５００分の１にも達する。従って、前記熱ジョイント４を上下に通過する熱流が上下端温度が同じ場合、１／２５００に減少することになる。つまり熱スイッチがオフになった状態を実現することができる。
図１０に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、１段目冷却ステージ５にも熱ジョイント３８を設けたものである。即ち、１段目冷却ステージ５と熱シールド１０間に間隙を設け、この間隙を埋めるように熱ジョイント３８を形成している。

即ち、１段目冷却ステージ５と熱シールド１０間に、ドーナツリング筒状のスリーブ３９が設けられ、該スリーブ３９に熱ジョイント３８の物質が充填されている。また、このスリーブ３９に連結管４０を介してバッファー容器４１が接続されている。このバッファー容器４１は、真空容器１１の内面に取り付けられている。
この１段目冷却ステージ５の熱ジョイント３８の物質は、２段目冷却ステージ６の熱ジョイント４の物質と異なり、融点の更に高いものを用いている。例えば、熱シールド１０の定常運転温度が、６０Ｋである場合、２段目冷却ステージ６の熱ジョイント４の物質は、パラ水素を用い、１段目冷却ステージ５の熱ジョイント３８の物質は水が用いられる。

なお、両バッファー容器３５，４１には、真空容器１１の外方に延びる供給管４２が各々接続されている。
図１１に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、被冷却体２が極低温寒剤中に浸漬されない冷凍機直接冷却型であり、熱ジョイント４が２段式とされている。即ち、スリーブ１２の底蓋４３を介してその両面に熱ジョイント４が設けられている。
図１２に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、液体ヘリウムを用いた極低温装置に適用されるものである。

この実施の形態では、スリーブ１２の底部が漏斗型に形成されている。スリーブ１２内部は、再凝縮器１７によって上下に二分され、下部が凝縮室４４とされている。凝縮室４４の下端と液体ヘリウム容器９の頂部とは凝縮液供給管４５で接続されている。凝縮室４４の上部と液体ヘリウム容器９の頂部とは蒸発ガス供給管４６で接続されている。
前記再凝縮器１７の上面と、２段目冷却ステージ６の下端との間に熱ジョイント４が形成されている。
再凝縮器１７の温度が凝縮室４４内のガス相の温度より低くなれば、再凝縮器１７のフィン１９表面でヘリウムが液化して、最下部に集められた後、凝縮液供給管４５を介して液体ヘリウム容器９へ戻る。同時に、液体ヘリウム容器９内のガスが蒸発ガス供給管４６を経由して凝縮室４４に自動的に導入される。

この図１２に示すものでは、凝縮室４４が断面の小さい凝縮液供給管４５及び蒸発ガス供給管４６で接続されているので、凝縮室４４から液体ヘリウム容器９内への熱侵入が極力小さく押さえられる。
なお、本発明は、前記各実施の形態に示したものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることはもちろんであり、例えば、ＮＭＲ等に適用できる。

本発明は、ＭＲＩ等の医療器具産業、ＮＭＲ等の精密分析器具産業等において利用可能である。

図１は、本発明の実施の形態を示す極低温装置の模式断面図である。 図２は、本発明の他の実施の形態を示し、その要部拡大ずである。 図３は、図２の実施の形態の動作説明図である。 図４は、図２の実施の形態の動作説明図である。 図５は、図２の実施の形態の動作説明図である。 図６は、本発明の他の実施の形態を示す極低温装置の模式断面図である。 図７は、本発明の他の実施の形態を示す極低温装置の模式断面図である。 図８は、本発明の他の実施の形態を示す極低温装置の模式断面図である。 図９は、本発明の他の実施の形態を示し、その要部拡大ずである。 図１０は、本発明の他の実施の形態を示し、その要部拡大ずである。 図１１は、本発明の他の実施の形態を示す極低温装置の模式断面図である。 図１２は、本発明の他の実施の形態を示し、その要部拡大ずである。 図１３は、従来の極低温装置の模式断面図である。

符号の説明

１ 極低温冷凍機ユニット
２ 被冷却体
３ 冷却ステージ
４ 熱ジョイント
５ １段目冷却ステージ
６ ２段目冷却ステージ
７ 超電導マグネット
８ 液体ヘリウム
９ 液体ヘリウム容器
１０ 熱シールド
１１ 真空容器
１２ スリーブ
１７ 再凝縮器
２０ 加熱手段
２６ 変形吸収部
３５ バッファー容器
３６ 連結管
３７ 触媒槽
３８ 熱ジョイント
３９ スリーブ
４１ バッファー容器

Claims (11)

1. 極低温冷凍機ユニットの冷却ステージと被冷却体との間に間隙が設けられ、該間隙に熱ジョイントが介在された極低温装置において、
   前記熱ジョイントは、前記被冷却体の保冷温度よりも高い融点をもち、室温大気圧において液体または気体を呈する物質からなると共に、凝固状態において熱スイッチオン状態であることを特徴とする極低温装置。
2. 前記物質は、窒素、ネオン、パラ水素、及び水からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載の極低温装置。
3. 前記被冷却体には前記熱ジョイントを収納するスリーブが設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の極低温装置。
4. 前記熱ジョイントを加熱する加熱手段が設けられたことを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の極低温装置。
5. 前記スリーブには、前記物質を貯留するバッファー容器を設け、該バッファー容器が連結管を介して前記熱ジョイントと接続されていることを特徴とする請求項３又は４記載の極低温装置。
6. 前記バッファー容器に貯留される物質が水素であり、該水素をオルソ−パラ水素変換させるための触媒を有する触媒槽が、前記連結管に介在されていることを特徴とする請求項５記載の極低温装置。
7. 前記被冷却体は、超電導マグネットと液体ヘリウムとを収納した液体ヘリウム容器を有し、該ヘリウム容器の上部に前記スリーブが設けられ、該スリーブ内を上下に密閉状に仕切る再凝縮器が設けられ、該再凝縮器の上面に前記熱ジョイントが形成されていることを特徴とする請求項３〜６の何れか一つに記載の極低温装置。
8. 前記液体ヘリウム容器の外周域は熱シールドにより覆われており、該熱シールドの外周域は真空容器で覆われており、該真空容器と前記ヘリウム容器間にわたって前記スリーブが設けられ、該スリーブ内に前記冷却ステージが挿脱自在に設けられていることを特徴とする請求項７記載の極低温装置。
9. 前記冷却ステージは、高温側の１段目冷却ステージと低温側の２段目冷却ステージとを有し、前記１段目冷却ステージは前記熱シールドを冷却し、前記２段目冷却ステージは前記液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムのガス相部を冷却するように構成され、前記１段目および／または２段目冷却ステージに前記熱ジョイントが設けられていることを特徴とする請求項８記載の極低温装置。
10. 前記被冷却体は、超伝導マグネット自体であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載の極低温装置。
11. 前記被冷却体の熱ジョイントに接する面は、銅などの熱伝導率の大きい材質で形成され、前記スリーブは、前記銅などよりも熱伝導率の小さいステンレスなどの材料で構成され、該スリーブには、上下方向の変形を吸収するための変形吸収部が設けられていることを特徴とする請求項３〜１０の何れか一つに記載の極低温装置。