JP2006046897A - クライオスタット構造 - Google Patents

Abstract

【課題】クライオスタット構造のサスペンションチューブを通る入熱を低減・排除し、低出力の極低温冷凍機を使用可能にする。
【解決手段】クライオスタット構造はサスペンションチューブ（２）の暖端とヘリウムガスが通流可能なネックチューブ（５）の暖端との直接接続（８）によりガス流が自動的に発生し、このガス流はコールドヘッド（６）の冷端での吸引作用により生起すると共に維持される。それにより、蒸発ガスがサスペンションチューブ（２）の壁を冷却し、サスペンションチューブ（２）を介するヘリウム容器（１）への入熱が無くなる。ガスは加熱されて流出し、コールドヘッドの室温フランジ（１３）でネックチューブに再び流入する。ネックチューブ上で冷却されて最終的には第２コールドステージ（１５）で液化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体ヘリウムを保持するクライオスタット構造に関し、詳しくは、外側ジャケットとその中に設置されたヘリウム容器とを備え、ヘリウム容器が少なくとも２つのサスペンションチューブにより外側ジャケットに接続され、ヘリウム容器がネックチューブを含み、ネックチューブの上方暖端がジャケットに接続され、ネックチューブの下方冷端がヘリウム容器に接続され、ネックチューブが極低温冷凍機の多段コールドヘッドを収容し、外側ジャケット、ヘリウム容器、サスペンションチューブ及びネックチューブにより真空スペースを画定し、ヘリウム容器を少なくとも１つの放射シールドにより囲繞し、放射シールドをヘリウム容器のサスペンションチューブ及びネックチューブに熱伝導可能に接続したクライオスタット構造に関する。

特許文献１−１０には、極低温冷凍機を用いることにより冷媒損失を殆どまたは全く来すことなしに超伝導磁石システムを冷却する可能性が記載されている。

例えば２段式の極低温冷凍機のコールドヘッドは、通常、別体の真空チャンバ内に設置され（例えば特許文献７に記載の如く）、またはクライオスタットの真空チャンバ内に設置される（例えば特許文献６に記載の如く）。この際、コールドヘッドの第１コールドステージは放射シールドに堅固に接続され、第２コールドステージはヘリウム容器と直接にまたは固定式の堅固なまたはフレキシブルな熱橋を介して熱伝導可能に接続される。外部からの入熱によって蒸発したヘリウムをヘリウム容器の低温接触面上で再凝縮することによりヘリウム容器への全体的な入熱を補償して、システムの無損失運転を実現することができる。欠点は、第２コールドステージとヘリウム容器との接続が熱抵抗を有することである。

熱抵抗を回避する１つの可能性は、例えば特許文献９に記載の如く、ネックチューブ内にコールドヘッドを挿入することである。ネックチューブは、クライオスタットの外側真空シェル（外側ジャケット）をヘリウム容器に接続するものであり、ヘリウムガスが満たされている。２段コールドヘッドの第１コールドステージは放射シールドと固定的に且つ熱伝導可能に接触しており、第２コールドステージはヘリウム雰囲気内で自由懸垂状態にされ、蒸発したヘリウムを直接液化するものになっている。

コールドヘッドがヘリウムガスにより包囲され、また、コールドヘッドとネックチューブの壁との間またはネックチューブのその他の構造エレメントとの間に温度差があるので、かなりの量の熱がガスの熱伝導および対流によりチューブ壁とコールドヘッドとの間で伝達されることになる。このため、特許文献３及び４は、コールドヘッドチューブを断熱することを提案している。また、ヘリウムガス管及びネックチューブ壁における頂部から底部への熱伝導がヘリウム容器への更なる入熱になる。

したがって、特許文献９は、コールドヘッドまわりに分離スリーブを設置することを提案している。この分離スリーブは頂部および底部が開口しており、ガスがネックチューブ壁上で上昇しこの際にチューブで伝導される熱をガスが吸収して加熱されるようガス流を案内するものになっている。ガスは上方暖端で偏向されてコールドヘッドチューブに沿って下向きに流れ、冷却されて最終的にはコールドヘッドの冷端で再液化される。これにより、例えば非特許文献１に記載のように極低温冷凍機の冷却力が多少低下する。

高分解能核磁気共鳴分光（ＮＭＲ）用の磁石システム構成において、ヘリウム容器は、通常、少なくとも２つの薄壁型のサスペンションチューブで外側真空ジャケットに接続される。これにより超伝導磁石を収容するヘリウム容器が機械的に固定され、同時にサスペンションチューブは、必要に応じて例えば液体ヘリウムの充填や再充填のため、磁石へのアクセスを可能にする。極低温冷凍機による冷却が行われない従来のシステムでは、ボイルオフガスがサスペンションチューブを通って放出され、それによってサスペンションチューブを冷却し、理想的にはチューブ壁を介する入熱を完全に補償する。

これとは対照的に、冷媒損失を来さないシステム（すなわち、極低温冷凍機によってアクティブに冷却されるシステム）では、ガス流を欠くので、サスペンションチューブの冷却は行われず、従って、サスペンションチューブを通って伝導される熱が全てヘリウム容器に流入する。この熱の量は、チューブ壁厚、サスペンションチューブの数、ヘリウム容器のサイズ等にもよるが、多くの場合、全体的な入熱の主たる寄与分を表しており、より大出力の極低温冷凍機の使用が必要になることがある。さらに、極低温冷凍機のコールドヘッドを収容するネックチューブを通って熱がヘリウム容器に流入する。
欧州特許出願公開第０９０５４３６号明細書 欧州特許出願公開第０９０５５２４号明細書 国際公開第０３／０３６２０７号パンフレット 国際公開第０３／０３６１９０号パンフレット 米国特許第５，９６６，９４４号明細書 米国特許第５，５６３，５６６号明細書 米国特許第５，６１３，３６７号明細書 米国特許第５，７８２，０９５号明細書 米国特許出願公開第２００２／０００２８３０号明細書 米国特許出願公開第２００３／２３００８９号明細書 「４Ｋパルスチューブ極低温冷凍機によるヘリウム液化」、（極低温（Cryogenics），第４１巻， (２００１年) ｐ．４９１−４９６）

本発明の目的は、極低温冷凍機でアクティブに冷却されるクライオスタット構造とくに超伝導磁石装置を収容するクライオスタット構造のサスペンションチューブを通る入熱を低減もしくは完全に排除し、低出力の極低温冷凍機を使用可能にすることにある。

この目的は、サスペンションチューブの暖端とヘリウムガスが通流するネックチューブの暖端とを直接接続した本発明によって達成される。

サスペンションチューブの暖端とネックチューブの暖端との直接接続によりガス流が自動的に発生し、このガス流はコールドヘッドの冷端での吸引作用により生起すると共に維持される。それにより、蒸発ガスがサスペンションチューブの壁を冷却し、理想的にはサスペンションチューブを介するヘリウム容器への入熱がなくなる。ガスは加熱されて、ほぼ室温でサスペンションチューブから流出し、コールドヘッドの室温フランジでネックチューブに再び流入する。別々のサスペンションチューブからのガスを１つの管路にまとめてからネックチューブに導くのが有利である。ネックチューブ内での下向きの流れにより、ガスがコールドヘッドのチューブ上又はネックチューブ上で冷却され、最終的にはコールドヘッドの第２コールドステージで液化され、それによってサイクルを終了する。この流れを維持する吸引作用は、一般には第２コールドステージ領域でのガスから液体への相転移によって発生する。極低温冷凍機の全体的な冷却力は若干低下するが、入熱の低減による利益が冷却力損失を上回る。従って、特に大型のサスペンションチューブを用いるシステムには、循環流がない場合に比べてより低出力の極低温冷凍機を使用することができる。

好適な実施の形態では、極低温冷凍機のコールドヘッドは幾つかのコールドステージを有する。したがって、極温度、特に４Ｋ以下の範囲の温度が可能になる。

特に高分解能ＮＭＲ法には、極低温冷凍機はパルスチューブ冷凍機が有利である。パルスチューブ冷凍機は極小振動で運転できるからである。また、パルスチューブ冷凍機は信頼性が非常に高く、ほとんど保守不要である。原理的には、その他の冷凍機、例えばギボード・マクマーン（Gifford-McMahon）冷凍機を使用することもできる。

特に有利には、ヘリウムは、コールドヘッドの最冷コールドステージで４．２Ｋ以下の温度で液化することができ、極低温領域における種々の応用を提供する。ヘリウムはクライオスタット内で蒸発し、ネックチューブ内に自由懸垂されたコールドステージで液化され、ヘリウム容器内に滴下して戻る。これによりヘリウム損失が減少し、再充填プロセスの回数が減少し、また冷凍機出力が十分に大きい場合には無損失運転が可能になる。

本発明の好ましい実施の形態では、第１コールドステージ上のコールドヘッドチューブまた可能であれば更なるコールドステージ領域にあるコールドヘッドチューブは、断熱材で包囲され、ネックチューブからコールドヘッドチューブへの不所望の入熱を排除し少なくとも減少させる。コールドヘッドの第１コールドステージ上のチューブは、室温と第１コールドステージの温度との間の温度を有する。

クライオスタット構造の好ましい実施の形態では、断熱材とネックチューブ壁との間にギャップ又はチャネルが設けられ、このギャップまたはチャネルを通ってガスが流れ、ガスとチューブ壁との熱接触が十分良好なものになる。

ネックチューブは機械的支持機能を奏するものではない。したがって、ネックチューブは薄い壁を有するもの及び又はベロー状に設計されたものでも良く、低熱伝導率材料からなるものでも良い。このようにして、ヘリウム容器への入熱は小さくなり、ネックチューブを通る振動伝達も最小になる。

別の実施の形態では、好ましくは電気式のヒータがヘリウム容器内に設けられ又はヘリウム容器と接触して設けられ、極低温冷凍機に余剰の冷却能力がある場合、ヘリウム容器内の圧力が周囲圧力よりも高い一定値に保たれる。しかし、冷凍機出力を、冷凍機の動作周波数及び又は冷凍機内の作動ガスの量（すなわちガス圧力）によって制御することもできる。

好ましい実施の形態では、コールドヘッドの１つ以上のコールドステージ（最冷コールドステージを除く）が１つ以上の放射シールドに熱伝導可能に接続される。そして、放射シールドはコールドヘッドにより直接に冷却可能である。

本発明のクライオスタット構造の別の好ましい実施の形態では、放射シールドまたは放射シールドの１つは、極低温冷凍機のコールドヘッドが熱伝導可能に接続された液体窒素の容器を含み、コールドヘッドは窒素を蒸発後に少なくとも部分的に再液化する。窒素は、放射シールドと極低温冷凍機のコールドヘッドとの熱的接続によって液化される。この場合、放射シールドは冷凍機により直接冷却されるものではなく、蒸発する窒素により間接的に冷却される。

この実施の形態の別の発展例では、好ましくは電気式のヒータが窒素容器内に又は窒素容器と接触して設けられ、極低温冷凍機に余剰の冷却能力がある場合、窒素容器の圧力が周囲圧力よりも高い一定レベルに保たれる。

有利な実施の形態では、サスペンションチューブとネックチューブとの間の接続管路は、ガス流を制御するバルブを有する。必要な場合、例えばコールドヘッドの吸引作用が非常に強くてガス流量がサスペンションチューブの最適な冷却に十分な流量を上回る場合には、ガス流量を減少させることができる。

別の有利な態様では、冷却流をアクティブに制御するためにサスペンションチューブとネックチューブとの間の接続管路に可変循環ポンプが設けられる。

本発明のクライオスタット構造の利点は、クライオスタット構造が超伝導磁石装置を含む場合、特に、超伝導磁石装置が磁気共鳴装置の一部とくに磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）又は核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）の一部である場合に特に有利に利用される。

本発明のその他の利点は以下の説明と図面から明らかになる。上述の及び後述の特徴は、個々にまたは任意に組み合わせて用いることができる。図示され説明される実施の形態はすべてを尽くすものではなく、発明を説明するための例示的な性質のものであることは言うまでもない。

図１は、ヘリウム容器１を有する本発明のクライオスタット構造の概略図を示し、ヘリウム容器１は、少なくとも２つのサスペンションチューブ２により外側ジャケット３に接続されている。ヘリウム容器１は、放射シールド４によって包囲され、極低温冷凍機のコールドヘッド６を収容するネックチューブ５を含む。ネックチューブ５は、外側ジャケット３の真空領域７に対する分離壁の役割のみを奏するものであり、ヘリウム容器１の重量を支える必要はない。このため、ネックチューブは入熱及び振動伝達を最小にするように設計することができ、これはベローを用いて有利に実現することができる。ヘリウム容器１の重量およびヘリウム容器１内に配置される超伝導磁石装置２６の重量は、サスペンションチューブ２によって支えられ、サスペンションチューブは管路８によりネックチューブ５の暖端９に接続されている。ガス流１０が自動的に発生し、このガス流はコールドヘッド６の冷端１１での吸引作用により生起しまた維持される。蒸発したヘリウムは、サスペンションチューブ２の壁１２を冷却し（理想的にはサスペンションチューブ２を介するヘリウム容器１への入熱を解消する程度に）、それによってヘリウムは加熱されてほぼ室温でサスペンションチューブ２を出てゆき、コールドヘッド６の室温フランジ１３のところでネックチューブ５に再び流入する。下向きのガス流１０に起因して、ガスはコールドヘッド６のチューブ１４又はネックチューブ５で冷却され、その後コールドヘッド６の第２コールドステージ１５で液化される。これによりサイクルが終了する。極低温冷凍機出力は若干低下するが、入熱の減少による利益は力損失よりも大きい。特に大型のサスペンションチューブ２を具備したシステムでは、循環流がない場合に比べてより低出力の極低温冷凍機を使用することができる。幾つかのサスペンションチューブ２を通る部分的なガス流は１つの管路８に有利に合体される。

戻りガスがネックチューブの壁１８又はコールドヘッド６のチューブ１４のどちらに沿って流れて冷却されるかは重要ではなく、従って、コールドヘッド６にも断熱材１６を設けてネックチューブ５とコールドヘッド６のチューブ１４との間での熱交換を低減させることができる。図２は、２段コールドヘッド６の室温フランジ１３と第１コールドステージ１７との間の断熱材１６を示す。コールドステージを幾つか有するコールドヘッドの場合、その他のコールドステージのチューブも断熱材１６により熱的に絶縁することができる。断熱材１６とネックチューブ壁１８との間に十分大きなギャップ１９を設けて、ガスとネックチューブ壁１８との熱接触を十分に良好なものにすることのみが重要である。本発明のネックチューブ壁１８は暖端へ流れるガスによっては冷却されない。既述のように、ネックチューブ壁１８を介する入熱の寄与分は、本例では入熱全体に比べて小さい。

アクティブな冷却を行わない（すなわち極低温冷凍機なしの）システムと同様の、放射シールド４の間接冷却を、蒸発窒素を用いて行うこともできる（図３）。この場合、極低温冷凍機のコールドヘッド６の第１コールドステージ１７を、蒸発窒素が低温接触面２１上で再液化可能なよう窒素容器２０に熱伝導可能に接続しなければならない。

ガス流を制御するため、接続管路８に流れインピーダンス（例えばバルブ２２）を一体化することができる（図４）。ポンプ２３を用いて、冷却流をアクティブに制御することができる（図５）。バルブ２２やポンプ２３を接続管路８に一緒に設置することもできる。バルブ２２又はポンプ２３を組み込む前に、幾つかのサスペンションチューブ２の部分ガス流をまず接続管路８に合体させることが好ましい。

いずれにしても、ヘリウム容器１内の圧力を（窒素容器２０内の圧力も）、周囲圧力よりも高い一定レベルに保つことが有利である。これは液体ヘリウム内のヒータ２４（図１、図２及び図３）又は窒素容器内のヒータ２５（図３）を用いて実現することができる。

本発明のクライオスタット構造は、磁気共鳴装置の一部とくに磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）又は核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）の一部である磁石装置２６を冷却するのに特に適している。

本発明のクライオスタット構造は、特に極低温冷凍機でアクティブに冷却される高分解能ＮＭＲ磁石システムのサスペンションチューブを介する入熱を大幅に低減させて、低出力の極低温冷凍機を使用可能にする。

本発明のクライオスタット構造の概略図である。 断熱されたコールドヘッドチューブを有する本発明のクライオスタット構造の概略図である。 窒素タンクを有する本発明のクライオスタット構造の概略図である。 接続管路に組み込まれたバルブを有する本発明のクライオスタット構造の概略断面図である。 接続管路に組み込まれたポンプを有する本発明のクライオスタット構造の概略断面図である。

符号の説明

１ ヘリウム容器
２ サスペンションチューブ
３ 外側ジャケット
４ 放射シールド
５ ネックチューブ
６ 極低温冷凍機のコールドヘッド
７ 真空チャンバ
８ 管路
９ ネックチューブの暖端
１０ ガス流
１１ コールドヘッドの冷端
１２ サスペンションチューブの壁
１３ 室温フランジ
１４ コールドヘッドのチューブ
１５ コールドヘッドの第２コールドステージ
１６ 断熱材
１７ コールドヘッドの第１コールドステージ
１８ ネックチューブの壁
１９ ギャップ
２０ 窒素容器
２１ 低温接触面
２２ バルブ
２３ ポンプ
２４ 液体ヘリウム内のヒータ
２５ 液体窒素内のヒータ
２６ 磁石装置

Claims (14)

1. 液体ヘリウムを保持するクライオスタット構造であって、
   外側ジャケットと、
   前記外側ジャケット内に配置されたヘリウム容器と、
   前記ヘリウム容器と前記外側ジャケットとの間に接続された少なくとも２つのサスペンションチューブと、
   前記外側ジャケットに接続された上方暖端および前記ヘリウム容器に接続された下方冷端を有し、前記外側ジャケット、前記ヘリウム容器および前記サスペンションチューブと共に真空スペースを画定するネックチューブと、
   前記ネックチューブ内に配置される多段極低温冷凍機のコールドヘッドと、
   前記ヘリウム容器を包囲し、また、前記サスペンションチューブ及び前記ネックチューブに熱伝導可能に接続された放射シールドと、
   前記ネックチューブの暖端と前記サスペンションチューブの暖端との間に配置され、ヘリウムを通流可能とする構成および大きさを有する直接接続手段と
   を備えるクライオスタット構造。
2. 前記極低温冷凍機がパルスチューブ冷凍機である請求項１記載のクライオスタット構造。
3. 前記極低温冷凍機のコールドヘッドの最冷コールドステージでヘリウムを４．２Ｋ以下の温度で液化することができる請求項１又は２に記載のクライオスタット構造。
4. 前記コールドヘッドが断熱材で包囲されたチューブを含み、前記チューブは第１コールドステージ上に配置されまた可能であれば更なるコールドステージ領域にも配置される請求項１乃至３のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
5. 前記断熱材およびネックチューブの壁が、ガスが通流可能なギャップ又はチャネルを画成する請求項４に記載のクライオスタット構造。
6. 前記ネックチューブが、薄い壁を有し及び又はベロー状に設計され、低熱伝導率材料からなる請求項１乃至５のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
7. 前記ヘリウム容器内に配置され又は前記ヘリウム容器と接触して配置された好ましくは電気式のヒータを更に備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
8. 前記コールドヘッドの、最冷コールドステージでない１つ以上のコールドステージが１つ以上の放射シールドと熱伝導可能に接続されている請求項１乃至７のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
9. 前記放射シールドは、前記極低温冷凍機の前記コールドヘッドに熱伝導可能に接続された液体窒素の容器を含み、蒸発した窒素が前記極低温冷凍機の前記コールドヘッドによって少なくとも部分的に再液化される請求項１乃至８のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
10. 前記窒素容器内に配置され又は前記窒素容器と接触して配置された好ましくは電気式の第２のヒータを備える請求項９記載のクライオスタット構造。
11. 前記サスペンションチューブと前記ネックチューブとの間で前記接続手段に配置されたガス流量制御バルブを更に備える請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
12. 前記サスペンションチューブと前記ネックチューブとの間で前記接続手段に配置された可変循環ポンプを更に備える請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
13. 超伝導磁石装置を含む請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
14. 前記超伝導磁石装置が、磁気共鳴装置、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置または核磁気共鳴分光（ＮＭＲ）装置の一部である請求項１３に記載のクライオスタット構造。

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