JP2005351613A - Cooling device - Google Patents
Cooling device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005351613A JP2005351613A JP2005144668A JP2005144668A JP2005351613A JP 2005351613 A JP2005351613 A JP 2005351613A JP 2005144668 A JP2005144668 A JP 2005144668A JP 2005144668 A JP2005144668 A JP 2005144668A JP 2005351613 A JP2005351613 A JP 2005351613A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cooling
- coolant
- heat exchanger
- supply line
- refrigerator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 84
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 37
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 26
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 26
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 6
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 2
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract description 3
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 abstract 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 13
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000000669 high-field nuclear magnetic resonance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 230000000153 supplemental effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
- F25B2400/17—Re-condensers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
- F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、例えば、導電体を超伝導する温度まで冷却するのに使用するための冷却装置に関する。本発明は、NMR(核磁気共鳴)とICR(イオンサイクロトロン共鳴)実験で使用するために電磁石を超伝導する条件まで冷却するのに特に適する。 The present invention relates to a cooling device for use, for example, in cooling an electrical conductor to a superconducting temperature. The present invention is particularly suitable for cooling electromagnets to superconducting conditions for use in NMR (nuclear magnetic resonance) and ICR (ion cyclotron resonance) experiments.
高フィールドNMR磁石は、超伝導体の臨界電流容量を改善してより高い磁界を発生させるために、液体4Heの大気中の沸点(4.2K)よりも数ケルビン低い温度まで「過冷却される」ことが多い。これは、通常は磁石が浸漬された液体4Heの槽を使用して達成される。磁石の槽又は容器は、通常〜2.2Kまで冷却され、この温度は、4He(Tλ=2.17K)の超流動転移温度、すなわちλ点よりも僅かに高い。 High field NMR magnets are “supercooled” to a temperature several kelvin below the atmospheric boiling point of liquid 4 He (4.2 K) to improve the superconductor's critical current capacity and generate a higher magnetic field. There are many cases. This is usually accomplished using a liquid 4 He bath in which the magnets are immersed. Bath or container of the magnet is cooled to normal ~2.2K, this temperature is slightly higher than the 4 superfluid transition temperature of He (T λ = 2.17K), i.e. lambda point.
2つの理由のために、2.2Kは好ましい作動温度である。4Heの比熱容量は、λ点でピークに達するので(図2)、システムの温度安定性を改善するためにこのラムダポイントのできるだけ近くで作動するのが望ましい。しかし、λ点よりも下で作動するのは、一般的に望ましくないものと見なされる。これは、ある割合の液体が粘性ゼロの超流動体になり、より高い温度の低温保持装置の区域に向って、たとえ重力に対抗しても、最小の亀裂やオリフィスを通って流れ、大幅な熱漏れをもたらして、ボイルオフ(いわゆる「スーパーリーク」現象)を増加させることになるためである。 For two reasons, 2.2K is the preferred operating temperature. Since the specific heat capacity of 4 He peaks at the λ point (Figure 2), it is desirable to operate as close as possible to this lambda point to improve the temperature stability of the system. However, operating below the λ point is generally considered undesirable. This is because a proportion of the liquid becomes a zero-viscosity superfluid and flows through the smallest cracks and orifices, even against gravity, towards the higher temperature cryostat area, This is because heat leakage is caused and boil-off (so-called “super leak” phenomenon) is increased.
初期の過冷却システムでは、液体Heを含む磁石含有容器が単により低圧にポンピングされ、従って、液体槽を次第に蒸発させて磁石を過冷却した。単純な設計のためにシステムをウオームアップする必要があり、従って、槽に補充が必要な時は、磁石の電源を切る必要がある。この大きなコストと不便さを回避するために、Roubeau他(Biltcliffe, Hanley、 McKinnon, Roubeau)(「4.2K未満の温度における超伝導磁石の作動」、Cryogenics、1972年2月、44−47ページ)によってラムダポイント冷凍機が発明された。 In early supercooling systems, a magnet-containing vessel containing liquid He was simply pumped to a lower pressure, thus gradually evaporating the liquid bath and supercooling the magnet. It is necessary to warm up the system for a simple design, so when the tank needs to be refilled, the magnet must be turned off. To avoid this great cost and inconvenience, Roubeau et al. (Biltcliffe, Hanley, McKinnon, Roubeau) ("Operation of superconducting magnets at temperatures below 4.2 K", Cryogenics, February 1972, pages 44-47). ) Invented the lambda point refrigerator.
より最近では、図1に示すように、「ラムダポイント冷凍機」が使用されている。図1を参照すると、磁石2は、大気圧で第1の冷却剤含有容器1内の液体Heに浸漬される。大気中に開放した第2の冷却剤含有容器3は、4.2Kで沸騰する液体Heのリザーバを保持し、このリザーバ3は、いつでも再充填することができる。それは、急冷弁14を通じて容器1に接続される。液体Heは、第2の容器3から(任意的な)第2の熱交換器6と膨張弁4を通じて第1の容器1内の熱交換器5に搬送される。熱交換器5は、一般的に、第1の容器の液体ヘリウム槽の上部に浸漬されたコイル状ループ菅である。弁4の下流側のループ5内の圧力は、外部ポンプ13を使用してポンピングすることにより、通常は20−50ミリバールまで降下する。弁4を通過するヘリウム液は、弁に亘る圧力降下のために部分的に蒸発し、数ケルビンだけ冷却される。ループ内で降下した蒸気圧は、残りの液体の沸点温度を低下させ、この液体は、結果的に蒸発して磁石槽から熱を吸収し、5を通る熱交換を通じてそれを冷却する。熱交換器5を出て行く蒸気は、任意的な第2の熱交換器6を通過し、この熱交換器は、弁内で蒸発する割合を低減するために、及び、従って所定の冷却力に対して必要な質量流量を低下させるために、弁に入ってくる液体を予冷却する。
More recently, as shown in FIG. 1, a “lambda point refrigerator” has been used. Referring to FIG. 1, the
構成要素4、5、6によって構成されたラムダポイント冷凍機の冷却力は、次の式で与えられる。
The cooling power of the lambda point refrigerator constituted by the
ここで、dm/dtは全質量流量、Hはエンタルピー、λは、弁内で瞬時に蒸気に蒸発した液体の割合である。
これまで説明した構成要素は、以下に説明するいくつかのシールドを含む低温保持装置20内に位置する。
Here, dm / dt is the total mass flow rate, H is the enthalpy, and λ is the ratio of the liquid that has instantaneously evaporated into vapor in the valve.
The components described so far are located in a
第2の熱交換器6を出る冷たい蒸気は、別の熱交換器10を通って低温保持装置20を上方に通過し、約40Kの温度に置かれているガス冷却シールド7から熱を吸収し、次に、最終の熱交換器11を通過して第2のシールド8から熱を吸収する。低温保持装置20のシールド7及び8は、ヘリウム容器1及び3に対する放射熱負荷を低減し、全ボイルオフを低減する。外側シールド8には最も大きな放射負荷があるために、シールド8には、シールド8と熱的に接続した容器8aにおいて大気圧(77K)で沸騰する窒素から補助的な冷却を持たせるのが普通である。容器アセンブリ全体は、ガス抜きされた容器9に収容され、伝導と対流による損失を少なくする。磁石2と内側の容器とは、一般的に、ファイバグラスロッドのウェブ(図示しない)を使用して吊され、対流熱負荷を少なくする。常温常圧のボアチューブ(図示しない)は、アセンブリを通過し、磁石ボア22を通過して、サンプルを磁石2の内部に配置させる。
The cold steam leaving the
低温保持装置20の外側に配置されたポンプ13を通過した後で、ヘリウムガスは、大気に排出されて無くなるか、又は後で再使用するために収集される(別のプラントで再液化された後に)。
磁石急冷の場合は(超伝導状態の故障及び保存された磁石エネルギの熱としての解放)、バネで閉じられた安全弁14は、第1の容器1内の沸騰ヘリウムを第2の容器3に逃がし、従って、危険な過圧条件が発生する前に大気中に逃がす。
After passing through a
In the case of magnet quenching (release of superconducting state failure and stored magnet energy as heat), the spring-loaded
上述のシステムは、再充填の問題を解決する一方で、大量のヘリウムを消費する。地球全体のヘリウムの供給量が限られており、次の10年間で価格の大幅な上昇が予想される。従って、過冷却低温保持装置で使用されるヘリウムの量を低減するのが望ましい。 The system described above consumes large amounts of helium while solving the refill problem. The global supply of helium is limited and prices are expected to rise significantly over the next decade. Therefore, it is desirable to reduce the amount of helium used in the supercooled cryostat.
本発明によれば、冷却装置は、冷却剤を流すためのポンプ、ポンプから冷却位置まで延びてその位置を冷却するための低温保持装置に配置された供給ライン、及び冷却位置から低温保持装置の外部に配置されたポンプまで延びる戻りラインを含む、冷却剤が流れる閉じた経路を形成する冷却システムと、供給ラインを流れる冷却剤が戻りラインを流れる冷却剤によって冷却されるように、供給及び戻りラインを連結してその間の熱交換を可能にするための低温保持装置内に配置された第1の熱交換器と、低温保持装置内に冷却段を有し、第1の冷却段に到達する冷却剤が第1の熱交換器によって予備冷却されるように第1の熱交換器の下流で供給ラインに連結された冷凍機とを含む。 According to the present invention, a cooling device includes a pump for flowing a coolant, a supply line arranged in the low temperature holding device for extending the pump from the pump to the cooling position and cooling the position, and A cooling system that forms a closed path through which the coolant flows, including a return line extending to an externally located pump, and supply and return so that the coolant flowing through the supply line is cooled by the coolant flowing through the return line A first heat exchanger disposed in the low temperature holding device for connecting the lines and enabling heat exchange therebetween, and a cooling stage in the low temperature holding device, and reaching the first cooling stage A refrigerator connected to the supply line downstream of the first heat exchanger such that the coolant is precooled by the first heat exchanger.
本発明人は、Heのような冷却剤が流れる閉じた経路を形成する冷却システムを提供することにより、上述の問題のソリューションをもたらした。これは、冷却システムの再充填の必要性を回避し、本発明を実施するために既存の冷却システムに対して単に小さな変更のみを行うことを必要とするという付加的な利点を有する。このソリューションは、少なくとも1つの冷却段を有する冷凍機の使用を伴い、この冷凍機は、冷却剤が第1の冷却段に到達する前にそれを予備冷却するための第1の熱交換器を含むことにより、その冷却段を助けるものである。これは、パルスチューブ冷凍機などの従来の冷凍機を使用することができる程度まで第1の冷却段の電力要求を少なくする。一般的に、冷却システムは、冷却位置に配置されたラムダポイント冷凍機を含み、一方、この冷却位置は、補助冷却剤含有容器内に位置することができる。代替的に、冷却される品目を冷却システムの閉じた経路に直接接続することができるであろう。 The inventor has provided a solution to the above-mentioned problems by providing a cooling system that forms a closed path through which a coolant such as He flows. This has the added advantage of avoiding the need for refilling of the cooling system and requiring only minor changes to the existing cooling system to implement the present invention. This solution involves the use of a refrigerator having at least one cooling stage that includes a first heat exchanger for precooling the coolant before it reaches the first cooling stage. Inclusion helps the cooling stage. This reduces the power requirement of the first cooling stage to the extent that a conventional refrigerator such as a pulse tube refrigerator can be used. Generally, the cooling system includes a lambda point refrigerator placed in a cooling position, while this cooling position can be located in an auxiliary coolant containing container. Alternatively, the item to be cooled could be connected directly to the closed path of the cooling system.
いくつかの場合では単一の第1の熱交換器で十分であるが、特により高い温度に冷却する時は、好ましくは、装置は、供給ラインを流れる冷却剤が戻りラインを流れる冷却剤によって冷却されるように供給及び戻りラインを連結する、低温保持装置内に配置された第2の熱交換器を更に含み、この第2の熱交換器は、供給ラインに沿った冷却剤の流れの方向に対して第1の熱交換器の上流にある。
第2の熱交換器の使用は、付加的な予備冷却の達成を可能にするので冷凍機に対する電力要件を更に発生させる。勿論、必要に応じて、更に別の熱交換器を設けることもできるであろう。
In some cases, a single first heat exchanger may be sufficient, but especially when cooling to higher temperatures, the device preferably allows the coolant flowing through the supply line to be cooled by the coolant flowing through the return line. A second heat exchanger disposed in the cryostat that connects the supply and return lines to be cooled, the second heat exchanger comprising a coolant flow along the supply line; Upstream of the first heat exchanger relative to the direction.
The use of a second heat exchanger further generates power requirements for the refrigerator as it allows additional precooling to be achieved. Of course, further heat exchangers could be provided if necessary.
いくつかの場合では、単一段冷凍機を使用することができるが、好ましい実施例では、冷凍機は、1つの冷却段よりも温度が高い付加的な冷却段を有し、この付加的な冷却段は、低温保持装置内に位置し、供給ラインに連結されて第1の熱交換器の上流の位置で供給ラインを冷却する。
それに加えて又は代替的に、冷凍機は、1つの冷却段よりも温度が高い付加的な冷却段を有し、この付加的な冷却段は、低温保持装置内に配置され、低温保持装置のシールドに連結されてシールドを冷却する。
In some cases, a single stage refrigerator can be used, but in a preferred embodiment, the refrigerator has an additional cooling stage that is higher in temperature than one cooling stage, and this additional cooling The stage is located in the cryostat and is connected to the supply line to cool the supply line at a position upstream of the first heat exchanger.
In addition or alternatively, the refrigerator has an additional cooling stage having a higher temperature than one cooling stage, which is disposed in the cryostat and is arranged in the cryostat. Connected to the shield to cool the shield.
最も好ましい実施形態では、付加的な冷却段は、供給ライン内の冷却剤及びシールドの両方を冷却する。
第2の熱交換器が設けられる場合、これは、好ましくは、供給ラインに沿った冷却剤の流れの方向に対して冷凍機の1つの冷却段の上流に配置される。
一般的に、冷却システムの閉じた経路を流れる冷却剤はHeを含むが、冷却位置で要求される温度に応じて他の冷却剤を使用することもできるであろう。例えば、代替として窒素がある。
In the most preferred embodiment, the additional cooling stage cools both the coolant and the shield in the supply line.
If a second heat exchanger is provided, this is preferably arranged upstream of one cooling stage of the refrigerator with respect to the direction of coolant flow along the supply line.
In general, the coolant flowing through the closed path of the cooling system includes He, but other coolants could be used depending on the temperature required at the cooling location. For example, nitrogen is an alternative.
冷凍機は、一般的に、振動の問題が最小限であることからパルスチューブ冷凍機のような電気を動力とする機械式冷凍機である。しかし、低温の冷却段を提供し、冷却剤(4Heなど)を消費する任意の冷却器を使用できることが認められるであろう。従って、パルスチューブ冷凍機に対する代替として、スターリング、ギフォード−マクマホン、ジュール−トムソン冷凍機、及び希釈冷凍機などが含まれる。 The refrigerator is generally a mechanical refrigerator that is powered by electricity, such as a pulse tube refrigerator, since vibration problems are minimal. However, it will be appreciated that any cooler that provides a cold cooling stage and consumes a coolant (such as 4 He) can be used. Thus, alternatives to pulse tube refrigerators include Stirling, Gifford-McMahon, Joule-Thomson refrigerators, dilution refrigerators, and the like.
上述のように、冷却装置は、様々な対象物を冷却するために使用することができるが、例えば、超伝導磁石が要求されるNMR、MRI、及びICRにおいて必要な導電体をそれらの超伝導条件まで冷却するのに特に適する。これらの場合では、磁石は、一般的に室温でボアを形成することになり、周囲の容器は、ボアへの遠隔アクセスを可能にするような形状にされることになる。
ここで、添付図面を参照して本発明による冷却装置の例を以下に説明する。
As mentioned above, the cooling device can be used to cool various objects, for example, the necessary conductors in NMR, MRI and ICR where superconducting magnets are required. Particularly suitable for cooling to conditions. In these cases, the magnet will generally form a bore at room temperature, and the surrounding container will be shaped to allow remote access to the bore.
An example of the cooling device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
以下の説明では、図1に示すものと同じである図3に示す装置の構成要素に同じ参照番号が付され、詳細については再度説明されない。
図3の例では、ポンプ13から低温保持装置内のポンプフィルタ13aを通じてラムダ冷凍機4−6まで延びる供給ライン26と、ラムダ冷凍機からポンプ13まで戻る戻りライン28とによって形成された閉じた冷却システムが提供される。供給ライン26は、第2の容器3の中に開放され、2段パルスチューブ冷凍機(PTR)24の第2段に連結される。この第2段16は、容器3内で沸騰するヘリウム蒸気を再凝縮させ、供給ライン26に沿って供給されるヘリウムも同様に凝縮させる。それは、一般的に、数十から数百mWの電力を消耗する。
In the following description, the same reference numerals are given to the components of the apparatus shown in FIG. 3 which are the same as those shown in FIG. 1, and details are not described again.
In the example of FIG. 3, closed cooling formed by a
PTRの第2段16に到達する前に、供給ラインは、「第1」熱交換器17を通って延び、この熱交換器は、供給ライン26を戻りライン28と連結する。この熱交換器17は、戻りライン28内の低温の戻りヘリウムが第1の冷却段に到達する前に、供給ライン26に沿って供給されるヘリウムを冷却する。これは、第1冷却段15で必要とされる冷却力を低減する。この第1の熱交換器17は、PTR24の第2段16の冷却の電力要件を約1W(4.2Kにおける現在のPTR技術の限界)よりも低く保つために特に重要である。
Prior to reaching the
「第2」熱交換器19は、供給ラインに対して熱交換器17の上流に設けられる。熱交換器19は、供給ライン内のヘリウムを更に予冷却するように、供給及び戻りライン26及び28間の更なる熱交換を可能にする。
「第3」熱交換器18は、供給ライン26とシールド8の間に連結して設けられる。シールド8は、PTR24の第1段15に接続され、これは、外側のシールド8を約40Kまで冷却するために使用され、これは、一般的な大型NMR磁石システムに対して約30Wを必要とする。これらの接続により、PTR24の第1段15は、シールド8及び供給ライン26内のヘリウムの両方を冷却する。
The “second”
The “third”
熱交換器17及び19は、従来技術のシステムではシールド7及び8を冷却するために使用されたラムダポイント冷凍機を出る冷たいガスのエンタルピーを使用する。熱交換器18は、PTR24の第1段15に僅かな熱負荷(数ワット)を加える。
現在のPTR技術は、4.2Kで約1Wの第2段16の冷却力に制限される。熱交換器17なしでは、典型的な従来の高フィールドNMR磁石低温保持装置内のラムダ冷凍機からの全ヘリウムボイルオフを再凝縮させることは不可能であろう。暖かいガスのエンタルピーを熱交換器17(及び、好ましくは19も)内の冷凍機の排気と交換することにより、問題は解決される。
従って、本発明は、通常運転ではヘリウムを消費しないゼロボイルオフ(ZBO)システム提供し、従って、破壊的で高価な再充填が必要ないという大きな利益を提供することが分るであろう。
Current PTR technology is limited to the cooling power of the
Thus, it will be appreciated that the present invention provides a zero boil-off (ZBO) system that does not consume helium in normal operation, and thus provides the great benefit of not requiring destructive and expensive refilling.
以下の解析からも「第1」熱交換器17の効果を見ることができる。
第1段15が気化ヘリウムを約45Kまで冷却すると仮定すると、熱交換器17がない状態では、第2段16に必要な冷却力は、以下のようであるべきである。
Q’=n’・(HT=45K−HT=4.2)+n’・L=3.5・10-3・(932−87)+3.5・10-3・83=3+0.3≒3.3ワット
ここで、L=83J/Mol(ヘリウムの潜熱)、n’=ヘリウムの流量、HT=ヘリウムのエンタルピー、である。
The effect of the “first”
Assuming that the
Q ′ = n ′ · (H T = 45K −H T = 4.2 ) + n ′ · L = 3.5 · 10 −3 • (932-87) + 3.5 · 10 −3 • 83 = 3 + 0.3≈3 .3 watts where L = 83 J / Mol (latent heat of helium), n ′ = flow rate of helium, H T = enthalpy of helium.
しかし、出て行くヘリウムの流れの冷却力は、第1段15が冷却を達成するので、どの放射シールドを冷却するのにも使用する必要がないために(従来技術と異なり)、この冷却力は、入ってくるヘリウムの流れの予冷のために使用することができる。出て行く流れと戻り又は入ってくる流れの循環は同じであり、従って、45Kから約5Kまで低下させる戻り流れの予冷は、熱交換器17を使用して達成することができる。その結果、第2段で必要とされる加熱力は、約0.3−0.45Wまで低減することができる。そのような電力は、市販のパルスチューブ冷凍機から容易に利用可能である。
先に説明したように、図面に示すシステムを使用して、様々な品目、特に、MRI、NMR、及びICRのような任意の従来の構成に使用される場合がある超伝導磁石を冷却することができる。
However, the cooling power of the outgoing helium stream is not required to be used to cool any radiation shield since the
As described above, the system shown in the drawings is used to cool various items, particularly superconducting magnets that may be used in any conventional configuration such as MRI, NMR, and ICR. Can do.
1 第1のヘリウム容器
2 磁石
3 第2のヘリウム容器
6、10、11 熱交換器
7、8 シールド
13 ポンプ
20 低温保持装置
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記ポンプから冷却位置まで延びてその位置を冷却するための、低温保持装置に配置された供給ライン、及び
前記冷却位置から前記低温保持装置の外部に配置された前記ポンプまで延びる戻りライン、
を含む、冷却剤が流れる閉じた経路を形成する冷却システムと、
前記供給ラインを流れる冷却剤が前記戻りラインを流れる冷却剤によって冷却されるように、該供給及び戻りラインを連結してその間の熱交換を可能にするための、前記低温保持装置内に配置された第1の熱交換器と、
前記低温保持装置内に冷却段を有し、第1の冷却段に到達する冷却剤が前記第1の熱交換器によって予備冷却されるように該第1の熱交換器の下流で前記供給ラインに連結された冷凍機と、
を含むことを特徴とする冷却装置。 Pump for flowing coolant,
A supply line arranged in a low temperature holding device for extending from the pump to a cooling position and cooling the position, and a return line extending from the cooling position to the pump arranged outside the low temperature holding device;
A cooling system that forms a closed path through which the coolant flows, and
Located in the cryostat to connect the supply and return lines and allow heat exchange therebetween so that the coolant flowing through the supply line is cooled by the coolant flowing through the return line. A first heat exchanger;
The supply line downstream of the first heat exchanger has a cooling stage in the cryostat and the coolant reaching the first cooling stage is precooled by the first heat exchanger A refrigerator connected to the
A cooling device comprising:
前記冷凍機の前記冷却段は、前記冷却剤含有容器に位置する、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 The cooling system includes a coolant-containing container that forms part of the supply line;
The cooling stage of the refrigerator is located in the coolant-containing container,
The apparatus according to claim 1.
前記第2の熱交換器は、前記供給ラインに沿った冷却剤の流れの方向に対して前記第1の熱交換器の上流にある、
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の装置。 A second heat exchanger disposed in the cryostat and connecting the supply and return lines such that the coolant flowing through the supply line is cooled by the coolant flowing through the return line;
The second heat exchanger is upstream of the first heat exchanger with respect to the direction of coolant flow along the supply line;
The apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:
前記付加的な冷却段は、前記低温保持装置内に位置し、前記供給ラインに連結されて前記第1の熱交換器の上流の位置で該供給ラインを冷却する、
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の装置。 The refrigerator has an additional cooling stage having a higher temperature than the one cooling stage,
The additional cooling stage is located in the cryostat and is connected to the supply line to cool the supply line at a position upstream of the first heat exchanger;
The device according to claim 1, wherein the device is a device.
前記付加的な冷却段は、前記低温保持装置内に位置し、該低温保持装置のシールドに連結されて該シールドを冷却する、
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の装置。 The refrigerator includes an additional cooling stage having a higher temperature than the one cooling stage,
The additional cooling stage is located in the cryostat and is coupled to a shield of the cryostat to cool the shield;
The device according to claim 1, wherein the device is a device.
サンプルを支持するための手段を有する、前記ボアに挿入するためのプローブと、
を含むことを特徴とするNMR又はICR装置。 A cooling device according to claim 17,
A probe for insertion into the bore having means for supporting a sample;
An NMR or ICR apparatus characterized by comprising:
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GBGB0408312.7A GB0408312D0 (en) | 2004-04-14 | 2004-04-14 | Cooling apparatus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005351613A true JP2005351613A (en) | 2005-12-22 |
Family
ID=32320814
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005144668A Pending JP2005351613A (en) | 2004-04-14 | 2005-04-14 | Cooling device |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20050229609A1 (en) |
EP (1) | EP1586833A3 (en) |
JP (1) | JP2005351613A (en) |
GB (1) | GB0408312D0 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011082343A (en) * | 2009-10-07 | 2011-04-21 | Fuji Electric Systems Co Ltd | Cooling apparatus for superconduction equipment |
JP2019502888A (en) * | 2015-10-28 | 2019-01-31 | テヒニシェ ウニヴェルズィテート ミュンヘンTechnische Universitaet Muenchen | Cryogen cooling device |
Families Citing this family (25)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7318318B2 (en) * | 2004-03-13 | 2008-01-15 | Bruker Biospin Gmbh | Superconducting magnet system with refrigerator |
GB0411607D0 (en) * | 2004-05-25 | 2004-06-30 | Oxford Magnet Tech | Recondenser interface |
GB2433581B (en) * | 2005-12-22 | 2008-02-27 | Siemens Magnet Technology Ltd | Closed-loop precooling of cryogenically cooled equipment |
CN102054555B (en) * | 2009-10-30 | 2014-07-16 | 通用电气公司 | Refrigerating system and method of superconducting magnet and nuclear magnetic resonance imaging system |
US9234691B2 (en) * | 2010-03-11 | 2016-01-12 | Quantum Design International, Inc. | Method and apparatus for controlling temperature in a cryocooled cryostat using static and moving gas |
US20130047632A1 (en) * | 2010-05-03 | 2013-02-28 | Consejo Superior De Investigaciones Cientificas (Csic) | Gas liquefaction system and method |
US10690387B2 (en) | 2010-05-03 | 2020-06-23 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) | System and method for recovery and recycling coolant gas at elevated pressure |
DE102010028750B4 (en) * | 2010-05-07 | 2014-07-03 | Bruker Biospin Gmbh | Low-loss cryostat arrangement |
CN102918336B (en) * | 2010-05-12 | 2016-08-03 | 布鲁克机械公司 | System and method for sub-cooled |
DE102011013577B4 (en) * | 2011-03-10 | 2013-02-28 | Karlsruher Institut für Technologie | Device for storing hydrogen and magnetic energy and a method for their operation |
GB2493553B (en) * | 2011-08-11 | 2017-09-13 | Oxford Instr Nanotechnology Tools Ltd | Cryogenic cooling apparatus and method |
US9958519B2 (en) * | 2011-12-22 | 2018-05-01 | General Electric Company | Thermosiphon cooling for a magnet imaging system |
DE102012201108A1 (en) * | 2012-01-26 | 2013-08-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Device for cooling a superconducting machine |
GB2502628A (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-04 | Stfc Science & Technology | Cryostat having a multistage cryocooler with a terminal cooling chamber thermally coupled to the final cooling stage |
CN103077797B (en) * | 2013-01-06 | 2016-03-30 | 中国科学院电工研究所 | For the superconducting magnet system of head imaging |
US20140202174A1 (en) * | 2013-01-24 | 2014-07-24 | Cryomech, Inc. | Closed Cycle 1 K Refrigeration System |
US20150075183A1 (en) * | 2013-09-16 | 2015-03-19 | Bruker Biospin Corporation | Polarization insert for a cryogenic refrigerator |
JP6286242B2 (en) * | 2014-03-18 | 2018-02-28 | 株式会社日立製作所 | Superconducting magnet device |
DE102014225481A1 (en) * | 2014-12-10 | 2016-06-16 | Bruker Biospin Gmbh | Cryostat with a first and a second helium tank, which are separated liquid-tight from each other at least in a lower region |
CN110007097A (en) | 2017-12-04 | 2019-07-12 | 蒙大纳仪器公司 | Analysis instrument, method and component |
US10724780B2 (en) * | 2018-01-29 | 2020-07-28 | Advanced Research Systems, Inc. | Cryocooling system and method |
EP3850264A4 (en) * | 2018-09-12 | 2022-03-02 | The Regents Of The University Of Colorado | Cryogenically cooled vacuum chamber radiation shields for ultra-low temperature experiments and extreme high vacuum (xhv) conditions |
JP7139303B2 (en) * | 2019-11-01 | 2022-09-20 | ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 | Helium recondenser for cryostat |
US11956924B1 (en) | 2020-08-10 | 2024-04-09 | Montana Instruments Corporation | Quantum processing circuitry cooling systems and methods |
CN112885554B (en) * | 2021-02-19 | 2023-06-02 | 西安聚能超导磁体科技有限公司 | Small high-temperature superconductive direct-cooling magnet and assembly method thereof |
Family Cites Families (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3613387A (en) * | 1969-06-09 | 1971-10-19 | Cryogenic Technology Inc | Method and apparatus for continuously supplying refrigeration below 4.2 degree k. |
JPS5880474A (en) * | 1981-11-06 | 1983-05-14 | 株式会社日立製作所 | Cryogenic cooling device |
US4543794A (en) * | 1983-07-26 | 1985-10-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Superconducting magnet device |
DE3529391A1 (en) * | 1985-08-16 | 1987-03-05 | Kernforschungsz Karlsruhe | METHOD FOR COOLING AN OBJECT BY SUPRAFLUID HELIUM (HE II) AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD |
JPH0685376B2 (en) * | 1986-05-20 | 1994-10-26 | 株式会社東芝 | Superconducting magnet device |
US5347819A (en) * | 1992-11-05 | 1994-09-20 | Ishikawajima-Harima Heavy Industries, Co., Ltd. | Method and apparatus for manufacturing superfluidity helium |
JP3347870B2 (en) * | 1994-04-15 | 2002-11-20 | 三菱電機株式会社 | Superconducting magnet and regenerative refrigerator for the magnet |
JP3305508B2 (en) * | 1994-08-24 | 2002-07-22 | アイシン精機株式会社 | Cooling system |
JPH10177914A (en) * | 1996-12-18 | 1998-06-30 | Mitsubishi Electric Corp | Superdonducting magnet system with refrigerater |
DE19720677C1 (en) * | 1997-05-16 | 1998-10-22 | Spectrospin Ag | NMR measuring device with cooled measuring head |
GB2329700B (en) * | 1997-09-30 | 2001-09-19 | Oxford Magnet Tech | Improvements in or relating to cryostat systems |
JPH11233334A (en) * | 1998-02-18 | 1999-08-27 | Hitachi Ltd | Conduction cooling type superconducting electromagnet |
JPH11288809A (en) * | 1998-03-31 | 1999-10-19 | Toshiba Corp | Superconducting magnet |
GB0121603D0 (en) * | 2001-09-06 | 2001-10-24 | Oxford Instr Superconductivity | Magnet assembly |
JP2003194428A (en) * | 2001-12-28 | 2003-07-09 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Cooling device |
US7404295B2 (en) * | 2002-03-22 | 2008-07-29 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Ultra-low temperature regenerator and refrigerator |
US6679066B1 (en) * | 2002-08-16 | 2004-01-20 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Cryogenic cooling system for superconductive electric machines |
US6640552B1 (en) * | 2002-09-26 | 2003-11-04 | Praxair Technology, Inc. | Cryogenic superconductor cooling system |
JP2004301367A (en) * | 2003-03-28 | 2004-10-28 | Aisin Seiki Co Ltd | Extremely low temperature generator |
-
2004
- 2004-04-14 GB GBGB0408312.7A patent/GB0408312D0/en not_active Ceased
- 2004-10-08 US US10/960,281 patent/US20050229609A1/en not_active Abandoned
-
2005
- 2005-03-24 EP EP05251855A patent/EP1586833A3/en not_active Withdrawn
- 2005-04-14 JP JP2005144668A patent/JP2005351613A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011082343A (en) * | 2009-10-07 | 2011-04-21 | Fuji Electric Systems Co Ltd | Cooling apparatus for superconduction equipment |
JP2019502888A (en) * | 2015-10-28 | 2019-01-31 | テヒニシェ ウニヴェルズィテート ミュンヘンTechnische Universitaet Muenchen | Cryogen cooling device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB0408312D0 (en) | 2004-05-19 |
US20050229609A1 (en) | 2005-10-20 |
EP1586833A2 (en) | 2005-10-19 |
EP1586833A3 (en) | 2006-10-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2005351613A (en) | Cooling device | |
US9234691B2 (en) | Method and apparatus for controlling temperature in a cryocooled cryostat using static and moving gas | |
US7474099B2 (en) | NMR apparatus with commonly cooled probe head and cryogenic container and method for the operation thereof | |
JP4417247B2 (en) | MRI system with superconducting magnet and refrigeration unit | |
US7430871B2 (en) | NMR spectrometer with a common refrigerator for cooling an NMR probe head and cryostat | |
EP3523582B1 (en) | Passive flow direction biasing of cryogenic thermosiphon | |
CN107614990B (en) | Cryostat having a first and a second helium vessel which are separated from one another in a liquid-tight manner at least in the lower region | |
US20060021355A1 (en) | Cryostat configuration | |
KR20200046028A (en) | Fault-tolerant cryogenic cooling system | |
US20090275476A1 (en) | Cryostat assembly | |
US11187440B2 (en) | Cryostat assembly with superconducting magnet coil system with thermal anchoring of the mounting structure | |
JP5833284B2 (en) | Cooling system | |
US20090224862A1 (en) | Magnetic apparatus and method | |
JPH08222429A (en) | Device for cooling to extremely low temperature | |
JP2009243837A (en) | Very low temperature cooling device | |
JP2013008975A (en) | Superconducting magnet systems | |
US5979176A (en) | Refrigerator | |
Kirichek et al. | Operation of superconducting magnet with dilution refrigerator insert in zero boil-off regime | |
CN101105358B (en) | Cooling apparatus | |
JP2007078310A (en) | Cryogenic cooling device | |
US20170343246A1 (en) | Closed cycle cryogen recirculation system and method | |
Uhlig | Concepts for a low-vibration and cryogen-free tabletop dilution refrigerator | |
Richardson et al. | Neon liquefaction system for high Tc experiments | |
JPH0645812Y2 (en) | Cryogenic refrigerator | |
JPS6069462A (en) | Method of cooling cryogenic cooling device |