JP2005344991A

JP2005344991A - 極低温クライオスタット

Info

Publication number: JP2005344991A
Application number: JP2004164266A
Authority: JP
Inventors: Kunio Kazami; 邦夫風見
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-12-15
Also published as: US20060225437A1

Abstract

【課題】極低温冷凍機に接続された極低温クライオスタットの低温保持時間を延長させる。
【解決手段】極低温クライオスタットは、液体ヘリウム等の寒剤を使った極低温クライオスタットに寒冷を供給する寒冷供給手段を備えたクライオスタットであって、前記寒冷供給手段は、極低温冷凍機と、前記極低温冷凍機の寒冷発生部に、ステンレス製ヒートパイプの一方端を接続し、他方端をクライオスタットのサーマルアンカーに接続したことである。また寒冷輸送効果をスイッチできるヒートパイプを用いることにより、前記極低温冷凍機運転ONのときは寒冷を極低温冷凍機からサーマルアンカーに伝達し、前記極低温冷凍機運転OFFのときは寒冷を極低温冷凍機からサーマルアンカーに伝わらないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を使った、生体磁気計測用極低温クライオスタットの低温保持時間を延長させるためのもので、詳しくはヘリウム蒸発量を低減するための寒冷供給手段に関する。又、本発明は、生体磁気計測用クライオスタットのみならず、低温を保つために冷媒を必要とするクライオスタット、例えば、超伝導マグネットを用いるＭＲＩ（核磁気共鳴画像診断装置）や物性研究用のヘリウムクライオスタットにも適用可能な寒冷供給手段に関する。

従来技術における極低温クライオスタットは、図２に示すように、磁気シールドルーム１０４中に設置されたクライオスタット１０５の上部に冷凍機１０６が接続されている。この冷凍機１０６には圧縮ガスを給排気するためのロータリバルブ１０７が接続されており、更にコンプレッサ１０８に高圧・低圧ガス配管が接続されている。冷凍機１０６の寒冷発生部１０９はクライオスタット１０５の内部で別室となっているヘリウムガス槽１１０に露出し極低温はヘリウムガスを冷却することでヘリウムガス槽１１０全体を冷却する。ヘリウムガス槽１１０の下部に接続されたセンサ取付け台１１１にはＳＱＵＩＤセンサ１１２が接続されており、熱伝導でＳＱＵＩＤセンサ１１２は冷却される。真空層１１３はヘリウムガス槽１１０を取り囲む空間で形成され、断熱のために設けられている。又、この真空層１１３には図では省略されている熱輻射シールド箔が収められており輻射伝熱を低減させている。

特開２００４−１１６９１４号公報（第４頁第１４図）

しかし、従来技術で説明した極低温クライオスタット、即ち、生体磁気計測用クライオスタットに共通する問題点は、構造上真空断熱層が狭く十分な熱シールドができないことである。これは、微弱な磁気信号源に極低温下におかれたセンサを出来るだけ近づけて計測しなければ十分なＳＮ（信号対雑音比）が得られない、という計測目的に由来している。従って、寒剤として使われる液体ヘリウムは急速に蒸発してしまい補給サイクルは長くても１週間程度となっている。クライオスタットの容量を大きくすると、構造上の歪が大きくなり狭い真空断熱層が潰れてサーマルショートを起こす可能性もあり、むやみに大型化もできない。
このような問題点を解決するために、冷凍機による直接冷却という手法も提案されているが、次に示すような磁気雑音の問題があり実用化されていない。
（１）磁性蓄冷材による磁気雑音の発生；寒冷を発生するため、反強磁性体や超伝導材料を膨張機内部に保持するが、内部流通ガス圧の脈動に伴う振動で、周囲に微弱な磁気及び磁気勾配の変動をもたらす。これは数１０〜数１００ｐＴ（ピコテスラ）にもなり、数１０ｆＴ（フェムトテスラ）〜数１０ｐＴ程度の生体磁気などの微弱計測に際して極めて大きな妨害信号になる。
（２）極低温冷凍機の膨張機は熱伝導の小さいステンレス（ＳＵＳ）で構成されるが、微弱ではあるが磁性を帯びている。膨張ガス圧の変動によって振動が発生するため、上記同様磁気雑音となる。

以上から、生体磁気計測の分野ではクライオスタットに極低温冷凍機を直接取付けるのは困難である。
又、上記例ではガス層の冷却を行っているが、他にサーマルシールド部に連なるサーマルアンカーに冷凍機の寒冷発生部を接続させる、という試みもある。

しかし、いずれも冷凍機の由来の磁気雑音が大きく、冷凍機運転状態では計測の用に供することは困難である。
更に、計測時に冷凍機の運転を停止させると、熱の逆流が即座に発生し、ヘリウムの蒸発率が非常に大きくなるばかりか、内部温度の不安定さがＳＱＵＩＤの雑音を増加させる。

従って、冷凍機の接続された生体磁気計測用クライオスタットにおいて、冷凍機停止時の熱逆流を起こさない手段を提供することで、冷凍機停止時の問題点を解決することに課題を有する。

上記課題を解決するために、本願発明の極低温クライオスタットは、次に示す構成にしたことである。
（１）極低温クライオスタットは、液体ヘリウム等の寒剤を使った極低温クライオスタットに寒冷を供給する寒冷供給手段を備えた極低温クライオスタットであって、前記寒冷供給手段は、極低温冷凍機の寒冷発生部に、ヒートパイプの一方端を接続し、その他方端をクライオスタットのサーマルアンカーに接続したことである。
（２）前記ヒートパイプはステンレス材で形成したこと特徴とする（１）に記載の極低温クライオスタット
（３）前記ヒートパイプの一部から内部のガスを出し入れする細管を具備し、クライオスタットの外部に前記ヒートパイプ内のガスを出し入れできる手段を備えたことを特徴とする（１）に記載の極低温クライオスタット。
（４）前記細管は、ステンレス材で形成したことを特徴とする（３）に記載の極低温クライオスタット。
（５）前記ヒートパイプ内のガスを出し入れできる手段は、前記細管の先に、ガスを供給するための第１バルブを介して設けたガス供給手段と、ガスを抜くための第２バルブを介して設けた真空ポンプとを備えたことを特徴とする（３）に記載の極低温クライオスタット。
（６）前記極低温冷凍機のＯＮ／ＯＦＦに連動して前記第１及び第２バルブの開閉を操作するようにし、前記極低温冷凍機がＯＮのときは、前記第１バルブを開にして前記ヒートパイプに前記ガス供給手段からガスを供給し、同時に前記第２バルブを閉にして前記真空ポンプをＯＦＦにし、前記極低温冷凍機がＯＦＦのときは、前記第１バルブを閉にして前記ガス供給手段から前記ヒートパイプに供給するガスを停止し、同時に前記第２バルブを開にして前記真空ポンプをＯＮにして前記ヒートパイプのガスを排気することを特徴とする（５）に記載の極低温クライオスタット。

本発明の極低温クライオスタットは、極低温冷凍機がＯＮ状態では、ヒートパイプ内にガスが供給され、極低温冷凍機の寒冷により、ヒートパイプ内のガスの凝縮、サーマルアンカーからの熱の供給による凝縮ガスの内部蒸発が繰り返され、寒冷が供給される。一方、極低温冷凍機がＯＦＦの状態では、ガス供給弁が閉じられ、真空ポンプの弁が開放され、ヒートパイプ内のガスが排気される。従って、極低温冷凍機の温度が上昇しても、電熱や対流などによるサーマルアンカーへの熱の流入は起こらない。又、ヒートパイプ壁面の伝熱による熱侵入も、ステンレス（ＳＵＳ）などの熱伝導の小さい材料を使っているため、侵入熱は小さい。
又、極低温冷凍機がＯＮ状態では、ノイズは大きいが、熱排出するためヘリウム蒸発率は低下する。一方、極低温冷凍機がＯＦＦの状態では、熱は排出できないものの、通常のクライオスタット同様の低ノイズ運転が可能となる一方、極低温冷凍機が接続されていることによる余分な蒸発量のアップはない。

以下、本発明の極低温クライオスタットについて、図面を用いて詳細に説明する。

本発明の特徴は、寒冷発生部としての極低温冷凍機と寒冷を必要とするクライオスタットの輻射シールドに連なるサーマルアンカーの間を、熱的な可変コンダクタンスを有するヒートパイプで接続することにある。
即ち、寒冷輸送効果をスイッチできるヒートパイプを使うことにより、極低温冷凍機運転ＯＮのときは寒冷を極低温冷凍機からサーマルアンカーに伝達し、極低温冷凍機運転ＯＦＦのときは、熱が極低温冷凍機側からサーマルアンカーに伝わらないようにするものである。
尚、以下説明の都合上、寒冷とは熱を吸収することを意味し、熱の発散や熱の流れとは逆の意味で使うものとする。又、極低温冷凍機に付属する高圧ガス供給配管やガス圧縮機等は省略するものとする。

図１は本発明の極低温クライオスタットの全体構成で、クライオスタットにヒートパイプを介して極低温冷凍機を接続した例を示したものであり、１１はクライオスタットの外容器、１２は内容器で、内外の容器１１、１２の間は真空に保たれている。１３はヘリウム溜めでＳＱＵＩＤセンサ１４を液浸させて冷却している。１５は人間の頭部を挿入する測定部で、ここでは脳磁計の構成を示している。１６はクライオスタットのネック部で、ヘリウムガスの蒸発顕熱で熱交換する部分である。１７は断熱材料で、上部からの熱の侵入を隔てている。１８、１９はネック部１６に接続された金属製のサーマルアンカーで、蒸発するヘリウムガスから寒冷を供給され、熱シールド２０、２１に寒冷を伝達し、外容器１１への輻射熱伝達を遮断している。２２は、極低温冷凍機で、２３は寒冷発生部である。２４は断熱及び真空を保持する接続部で、２５は寒冷を伝達するヒートパイプである。この中で、極低温冷凍機２２、寒冷発生部２３、サーマルアンカー１８、１９、ヒートパイプ２５が寒冷供給手段を形成し、この寒冷供給手段は、極低温冷凍機２２の寒冷発生部２３に、ヒートパイプ２５の一方端を接続し、その他方端をクライオスタットのサーマルアンカー１８に接続した構成になっている。
このヒートパイプ２５には、ステンレスなどの熱伝導率の低い材料で形成された細管２６が接続され、その細管２６には第２バルブ２７を経由して、ヒートパイプ２５の内部ガスを抜き去る真空ポンプ２８が接続され、同じく、細管２６には第１バルブ２９を経由して、ヒートパイプ２５にガスを供給するガス容器３０（ガス供給手段）が接続されている。
ヒートパイプ２５の両端は、銅などの熱伝導率の高い材料、中間はステンレス（ＳＵＳ）などの熱伝導率の低い材料で構成されている。

このように、極低温冷凍機１２と寒冷を必要とするクライオスタットの輻射シールドに連なるサーマルアンカー１８の間をヒートパイプ２５で接続すると共に、ヒートパイプ２５の内部ガスを抜き去る真空ポンプ２８及びヒートパイプ２５にガスを供給するガス容器３０を備えた構成にすることで、極低温冷凍機２２がＯＮ状態では、ヒートパイプ２５内には第１バルブ２９が開にされ、ガス容器３０からガスが供給され、極低温冷凍機２２の寒冷により、ヒートパイプ２５内のガスの凝縮、サーマルアンカー１８からの熱の供給による凝縮ガスの内部蒸発が繰り返され、寒冷が供給される。
一方、極低温冷凍機１２がＯＦＦの状態では、ガスを供給する第１バルブ２９が閉じられ、同時に真空ポンプ２８の第２バルブ２７が開になり、ヒートパイプ２５内のガスが排気される。従って、極低温冷凍機１２の温度が上昇しても、電熱や対流などによるサーマルアンカー１８への熱の流入は起こらない。又、ヒートパイプ２５壁面の伝熱による熱侵入も、ステンレス（ＳＵＳ）などの熱伝導の小さい材料を使っているため、侵入熱は小さい。
又、極低温冷凍機１２がＯＮ状態では、ノイズは大きいが、熱排出するためヘリウム蒸発率は低下する。
一方、極低温冷凍機１２がＯＦＦの状態では、熱は排出できないものの、通常のクライオスタット同様の低ノイズ運転が可能となる一方、極低温冷凍機１２が接続されていることによる余分な蒸発量のアップはない。

極低温冷凍機と寒冷を必要とするクライオスタットの輻射シールドに連なるサーマルアンカーの間をヒートパイプで接続すると共に、ヒートパイプの内部ガスを抜き去る真空ポンプ及びヒートパイプにガスを供給するガス容器を備えた構成にして、極低温冷凍機がＯＮ状態では、ヒートパイプ内にはガス容器からガスを供給し、極低温冷凍機の寒冷により、ヒートパイプ内のガスの凝縮、サーマルアンカーからの熱の供給による凝縮ガスの内部蒸発を繰り返すことで、寒冷を供給する、一方、極低温冷凍機がＯＦＦの状態では、ガスを供給するバルブを閉じ、真空ポンプのバルブを開放して、ヒートパイプ内のガスを排気することで極低温冷凍機の温度が上昇しても、伝熱や対流などによるサーマルアンカーへの熱の流入は起こらないようにした極低温クライオスタットを提供する。

本願発明の極低温クライオスタットのブロック図である。従来技術における極低温クライオスタットのブロック図である。

符号の説明

１１外容器
１２内容器
１４ＳＱＵＩＤセンサ
１５測定部
１６ネック部
１７断熱材料
１８サーマルアンカー
１９サーマルアンカー
２０熱シールド
２１熱シールド
２２極低温冷凍機
２３寒冷発生部
２４接続部
２５ヒートパイプ
２６細管
２７第２バルブ
２８真空ポンプ
２９第１バルブ
３０ガス容器。

Claims

液体ヘリウム等の寒剤を使った極低温クライオスタットに寒冷を供給する寒冷供給手段を備えた極低温クライオスタットであって、
前記寒冷供給手段は、極低温冷凍機の寒冷発生部に、ヒートパイプの一方端を接続し、その他方端をクライオスタットのサーマルアンカーに接続したことを特徴とする極低温クライオスタット。
前記ヒートパイプはステンレス材で形成したこと特徴とする請求項１に記載の極低温クライオスタット
前記ヒートパイプの一部から内部のガスを出し入れする細管を具備し、クライオスタットの外部に前記ヒートパイプ内のガスを出し入れできる手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の極低温クライオスタット。
前記細管は、ステンレス材で形成したことを特徴とする請求項３に記載の極低温クライオスタット。
前記ヒートパイプ内のガスを出し入れできる手段は、前記細管の先に、ガスを供給するための第１バルブを介して設けたガス供給手段と、ガスを抜くための第２バルブを介して設けた真空ポンプとを備えたことを特徴とする請求項３に記載の極低温クライオスタット。
前記極低温冷凍機のＯＮ／ＯＦＦに連動して前記第１及び第２バルブの開閉を操作するようにし、前記極低温冷凍機がＯＮのときは、前記第１バルブを開にして前記ヒートパイプに前記ガス供給手段からガスを供給し、同時に前記第２バルブを閉にして前記真空ポンプをＯＦＦにし、前記極低温冷凍機がＯＦＦのときは、前記第１バルブを閉にして前記ガス供給手段から前記ヒートパイプに供給するガスを停止し、同時に前記第２バルブを開にして前記真空ポンプをＯＮにして前記ヒートパイプのガスを排気することを特徴とする請求項５に記載の極低温クライオスタット。