JP2006319319A - 熱的に補償されたセンタリング機構を有するクライオスタット構造 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる低温容器又は一つの低温容器と外側ジャケットが互いに接触しないように、センタリングを可能にするクライオスタット構造を提供する。
【解決手段】低温容器（１）はクライオスタット構造の外側ジャケット（３）に結合された熱的に絶縁する懸吊チューブ（２）に懸吊され、さらに外側に配置された外側ジャケット（３）に対して、該低温容器（１）の周縁に分布される少なくとも３つのセンタリング要素（４）を用いて心合わせされ構造をとり、該各センタリング要素はアクチュエーター（７）の構成要素のサイズの変化により、クライオスタット構造内の温度に関わりなく、センタリング要素（４）に過大な荷重がかからない構造とする。
【選択図】 図４ａ

Description

本発明は、クライオスタット構造の外側ジャケットと結合された熱的絶縁懸吊チューブ及び／又は懸吊デバイスから懸吊される少なくとも一つの低温容器に低温流体を保持するクライオスタット構造であって、該少なくとも一つの低温容器は、熱的な影響を受けており、取り囲む容器、好ましくは該外側ジャケットに対して、該低温容器のまわりに配置される少なくとも三つのセンタリング要素を用いて心合わせされ、各センタリング要素の一端が取り囲む容器に当接又は取り付けられることを特徴とするクライオスタット構造に関する。

核磁気共鳴（NMR）測定手段の超伝導磁石システムのためのこのタイプのクライオスタット構造は、例えば特許文１及び非特許文献１に開示されている。超伝導磁石コイル・システムは極低温流体、通常はヘリウムを含む第一の低温容器に配置され、それが放射シールド、超断熱シート、及び、場合によっては、低温流体、通常は液体窒素を含むもう一つの低温容器、に囲まれる。液体容器、放射シールド、及び超断熱シートは、真空スペースを画定する外側容器（外側真空シェル、外側ジャケット）に収容される。超伝導磁石はそのまわりのヘリウム・ガスの蒸発によって冷却されて一定の温度に保たれる。ヘリウム容器を囲む要素はヘリウム容器を熱的に絶縁してヘリウム容器への熱入力を最小にし、ヘリウムの蒸発速度を最小にする。

高分解能NMRスペクトロスコピーのための磁石システムは一般にいわゆる垂直システムであり、調べようとするNMRサンプルを受け入れる開口と磁力線の均一領域は垂直方向に延伸している。入れ子になっている低温容器と外側ジャケットの各々は内側チューブを有する。ヘリウム容器は普通外側真空シェルに少なくとも二つの薄肉懸吊チューブを介して結合される。これにより、低温容器は、機械的に固定され、懸吊チューブが、例えば冷却及び充填のために、必要に応じて、磁石にアクセスすることができる。異なる温度レベルにある異なる低温容器の接触を阻止するために（それによって熱架橋と極低温の損失増加を阻止するために）、低温容器は圧力又は張力がかかったセンタリング要素によって半径方向に支持される。これらは熱伝導性の小さな物質から作られるできるだけ長い長さの棒から成り、例えばヘリウム容器には剛体的に結合されているが、窒素容器には点で接触している。この場合、窒素容器は外側真空シェルに同様のセンタリング要素によって再び結合され、それによって心合わせされる。小さな、回転対称な垂直クライオスタットでは、通常圧力がかかったセンタリング要素が用いられる。張力がかかったセンタリング要素と比べて、これらは第二の低温容器又は外側真空シェルで固定される追加のアンカリングが必要とされないという利点がある。これによって構成が単純になる。

低温容器は、冷却の間（最終運転温度によるが）多少とも収縮するが、外側真空シェルは室温にとどまり、そのサイズを保つ。それにより、容器の互いに対する位置及び外側ジャケットに対する位置が変化する可能性がある。二つの容器が互いに接触する可能性があり、現在の場合それは内側チューブの領域で起こる可能性が最も大きい。これが不都合にも熱架橋と冷媒損失の増加につながる。これはセンタリング要素を用いて阻止される。

センタリング要素も一般に冷却の間に収縮し、低温状態では容器の相互調整は不可能であるから、要素には暖かい状態で（圧力にさらされるセンタリングのために）プレ張力をかけなければならない、さもないと冷却した後で暖かい状態よりも（張力にさらされるセンタリングために）大きな荷重が要素にかかる。要素の設計では、このように異なる、一定していない張力状態を考慮に入れなければならない。

例えば垂直クライオスタットにおいて、クライオクーラーを用いて蒸発する低温冷媒を再凝縮させるときに、懸吊チューブの他に、非対称に配置される垂直開口（ネック・チューブ）がヘリウム容器又は窒素容器と外側真空シェルの間に必要になる場合に、これらの問題は重大になる。この場合、上記ネック・チューブがクライオスタットの外側真空シェルを低温容器に結合する（例えば、ヘリウム容器に関しては特許文献２を参照）。これらの開口が垂直方向に弾性的である場合（例えば、波形のベローの場合）、外側真空シェルとクライオスタット内部の構成要素の間のスペースを排気することによって発生する力が容器に作用するトルクを生み出す。このトルクはすでに暖かい段階で低温容器の下方及び上方エッジでのセンタリングによって補償されなければならない。冷たい状態での容器のセンタリングも保証するためには、非対称開口がない容器に比べて、容器の片側におけるセンタリング要素に暖かい状態でさらに強くプレ張力をかけなければならない（圧力がかかるセンタリング）、さもないと冷たい状態でさらに強い張力がかかる（張力がかかるセンタリング）。偏心したプレ張力により、容器は互いに主に内側チューブの領域で接触する。これにより、冷却時の冷媒損失を増加させ、ときにはO-リングが凍結して封止性能を失ったときに真空絶縁破壊を生じることもある。
独国特許出願公開第29 06 060 A1号明細書 米国特許出願番号第2002/0002830号明細書 "超伝導NMR磁石の設計"（Concepts in Magnetic Resonance, 1993, 6, 255-273）

したがって、容器が常に互いに対して心合わせされ、かつどんな動作状態においてもセンタリング要素に過剰な荷重がかからないように、センタリング要素が、心合わせされる容器とそれを囲む容器、好ましくは外側真空シェルの間に挿入されるクライオスタット構造を提案することが本発明の根底にある目的である。

したがって、異なる低温容器又は一つの低温容器と外側ジャケットが互いに接触しないように、センタリング要素に過剰な荷重をかけることなく低温容器が冷却した後にも圧力がかかるセンタリングを可能にするクライオスタット構造を提案することが本発明の根底にある目的である。

この目的は、本発明によって次のように達成される。すなわち、低温容器の少なくとも一つにおいて、センタリング要素の外側ジャケットと反対側の各端が、それぞれのセンタリング要素に圧力又は張力を及ぼすと共に、少なくとも一つの接触点において低温容器に取り付けられているアクチュエーターと結合され、その接触点における低温容器へのアクチュエーターの固定により、低温容器のサイズの熱的な変化により、アクチュエーターの個々の構成要素のサイズの熱的な変化により、及び、場合によっては、機械的な並進移動により、センタリング要素が、好ましくは室温で存在する圧力又は張力の±10%以内で、クライオスタット構造内部の温度に関わりなくほぼ一定の圧力又は張力荷重を受けた状態にとどまるように、機械的張力が対応するセンタリング要素に発生される。

この場合に決定的なのは、一般に収縮という形で認められる低温容器の熱的な変化と、少なくとも一つの適当な接触点で低温容器に結合されるアクチュエーターの構成要素の長さの熱的な変化との間の相互作用である。サイズの変化から生ずる低温容器の運動は、その接触点を介してアクチュエーターに伝達される。低温容器の収縮から生ずる、低温容器上のアクチュエーターの接触点とまわりの容器、好ましくは外側ジャケットとの間の距離の増加はアクチュエーターの構成要素の長さの変化によって補償される。これは、異なる熱膨張係数及び／又は異なる寸法の物質の幾何学的な組み合わせによって、まわりの容器（外側ジャケット）に対するアクチュエーターとセンタリング要素との間の結合点の位置がごくわずかしか又は全く変化しないように行われる。このようにして、センタリング要素は瞬時温度に関わりなく常にほぼ同じ圧力又は張力を受け、センタリング要素は常に同様な明確に定められた張力状態にあり、低温容器がその中心位置にとどまるようになる。

暖かい状態での容器の心合わせは単純化され、冷却の間に容器は互いに接触しない。本発明の圧力を受けるセンタリング機構（構造はもっと単純である）も各タイプの容器で用いることができる。

低温容器が付加的な非対称開口を有する場合、本発明の利点をさらに効果的に活用することができる。非対称開口のために外側真空シェルとクライオスタットの設備の間のスペースの上述のような排気によって発生する低温容器への付加的トルクは、本発明のクライオスタット構造によって、低温状態でも付加的な荷重なしに補償される。

本発明のクライオスタット構造の特別な実施形態では、センタリング要素の少なくとも一つが、心合わせしようとする低温容器ともっと外側に配置された容器、好ましくは外側ジャケットとの間に位置する別の容器又は放射シールドと高い熱伝導性を有するフレキシブルな結合要素を介して熱的に接触している。熱入力、例えば外側ジャケットからの低温容器への熱入力はこのようにして減らすことができる。

本発明のクライオスタット構造の好ましい実施形態では、センタリング要素はグラスファイバー強化プラスチック材料又は同様の熱的及び機械的性質を有する材料から作られる。センタリング要素は、特に、一方において、例えば外部容器からの不必要な熱入力を防止し、他方においてセンタリング要素に加わる圧力及び張力荷重に耐えるために、低い熱伝導性と高い圧力又は引っ張り強度と高い曲げ弾性を有しなければならない。

センタリング要素は、それぞれ、任意の、特に可変の断面を有するチューブ又はロッドとして形成されることが好ましい。低温容器への熱入力を最小にするために、センタリング要素は最小の厚さを有することが好ましい。

本発明のクライオスタット構造の特に好ましい実施形態では、アクチュエーターは第一及び第二の構成要素を含み、これらの構成要素は異なる熱膨張係数を有する材料から作られる。両構成要素に温度変化が生じた場合、一般に長さの変化は異なり、その結果、これらの構成要素は互いに対して移動することができる。これらの構成要素の材料は、特にその熱膨張係数に関して、アクチュエーターの設計及びクライオスタット構造の個々の要素の全体的な幾何形状に依存して選択される。また、これらの構成要素を同じ材料から異なる長さで作り、冷却中の長さの絶対変化が異なるようにすることもできる。

アクチュエーターの第一の構成要素は、好ましくは、ゼロ以下である熱膨張係数を有する材料から作られる。

アクチュエーターの第一の構成要素を正の熱膨張係数を有する材料から作り、熱膨張係数の値は、温度が変化したときに第一の構成要素の長さの絶対変化が第二の構成要素の長さの絶対変化よりも小さくなるように、好ましくは第二の構成要素の長さの絶対変化の高々５分の１であるように選ぶことができる。構成要素の長さはそれでも、低温容器と低温容器をそれに対して心合わせする容器との間の距離の変動を補償するのに十分な程度異なる。関連する温度範囲は、室温から低温容器に保持される冷媒の温度まで、例えば液体ヘリウムの場合ほぼ4 Kまで拡がっている。

好ましくは、アクチュエーターの第一の構成要素は、任意の、特に可変の断面を有するチューブ又はロッドとして設計される。

アクチュエーターの第二の構成要素は、大きな正の熱膨張係数を有する材料、特に銅、黄銅、アルミニウム、又は同様の熱的及び機械的性質を有する材料から作られることが特に好ましい。したがって、第二の構成要素は、冷却中に大きく短縮する。

アクチュエーターの第二の構成要素は、好ましくは片側が閉じたチューブ又はチャンネルとして設計される。

特に好ましい実施形態では、アクチュエーターの第一の構成要素は、チューブ又はチャンネルとして設計されたアクチュエーターの第二の構成要素の内部に、特に同軸に、配置される。

この実施形態の好ましい発展例では、アクチュエーターの第一の構成要素は、チューブ又はチャンネルとして設計されたアクチュエーターの第二の構成要素に軸方向ねじコネクションによって第二の構成要素の閉じたチューブ端で、第一の構成要素を第二の構成要素に対してチューブの軸の方向に移動させることができるように移動可能に結合される。二つの要素が結合されるので、一方の要素の長さの変化又は変位が他方の要素に影響を及ぼす。さらに、ねじコネクションによって、すでに暖かい状態で外側容器、好ましくは外側ジャケットに対して要素にプレ張力を加えることを可能にする。

アクチュエーターの第一の構成要素のまわりに、第一の構成要素にしっかりと支持される案内スリーブを取り付け、その外径を十分大きくして案内スリーブと第二の構成要素の間に遊びを残すようにすることが有利である。これにより、第一の構成要素が第二の構成要素に対してセンタリング要素の軸方向に変位したときに、第一の構成要素の過剰な曲がり又は二つの構成要素の結合点における過剰な曲げ荷重が防止される。この案内スリーブは第二の構成要素の内側に剛体的に結合することもできる。

本発明の好ましい実施形態では、チューブ又はチャンネルとして設計されるアクチュエーターの第二の構成要素はその開放チューブ端で、又はその近くで、まわりの容器に対して心合わせされる低温容器、好ましくは低温容器の外側の縁に近い接触点と剛体的に結合される。アクチュエーターの第二の構成要素の心合わせされる低温容器に結合されない端は、その場合、接触点よりも低温容器の軸に近くなる。温度によって生ずる構成要素の長さの変化により、第二の構成要素に結合されていない第一の構成要素の端は、センタリングが行われる基準である容器に対して、すなわち、心合わせされる低温容器の温度変化によって生ずる動きと反対方向に移動する。このようにして、センタリングが行われるときの基準である容器と低温容器との間の距離の変化を補償することができる。

この動きをセンタリング要素に伝達するために、アクチュエーターの第一の構成要素は、第二の構成要素に結合していない端でセンタリング要素と剛体的に結合される。

構成要素の運動をセンタリング要素に伝達するために、アクチュエーターは別の機械的な並進要素、特にレバー、ギアホイール、又は偏心カムを有し、それが心合わせしようとする低温容器と、低温容器の外側の縁に近い接触点で剛体的に結合され、第一の構成要素と、別のロッドを介して間接的に、又は第一の構成要素の第二の構成要素と結合されていない端で直接的に、結合されることが有利である。

本発明のクライオスタット構造の特に好ましい実施形態では、この機械的並進要素と直接的又は間接的に接触しているアクチュエーターの第一の構成要素の端は、並進要素に対して一定の仕方で移動され、並進要素はこの相対運動をセンタリング要素に、センタリング要素の機械的張力状態がクライオスタット構造内の瞬時温度とほぼ無関係になるように並進させる。これにより、センタリング要素には常にほぼ一定の圧力又は張力が、好ましくは室温で存在する圧力又は張力から±10%という範囲内の圧力又は張力が加えられる。

別のある実施形態では、アクチュエーターは、任意の、特に可変の断面を有し、その熱膨張係数が心合わせされる低温容器よりも小さい又は大きいチューブ又はロッド、及び機械的並進要素、特にレバー、ギアホイール、又は偏心カムを含む。熱膨張係数は低温容器のそれと異なり、これにより、チューブ又はロッドの熱的挙動を低温容器のそれと異ならせて、温度変化中の低温容器の運動をうち消す。

アクチュエーターの機械的並進要素は、心合わせされる低温容器と、低温容器の外側の縁に近い接触点において剛体的に結合される。

低温容器とアクチュエーターのチューブ又はロッドとの間の熱的な効果の最適な協同動作を実現するために、アクチュエーターのチューブ又はロッドの一端は、心合わせされる低温容器に、低温容器の軸に近い接触点における結合箇所を介して剛体的に結合される。低温容器の熱的な影響は、アクチュエーターと機械的並進要素の組み合わせによって、センタリング要素にほぼ一定の圧力又は張力が加わるように補償される。

ある有利な実施形態では、アクチュエーターのチューブ又はロッドは、接触点で低温容器に結合される一端における軸方向のねじコネクションによって軸方向に移動させることができ、ねじコネクションの反対側の他端の近くで低温容器に剛体的に結合された案内デバイスによってチューブの軸方向に案内される。アクチュエーターのチューブ又はロッドとセンタリング要素には、このようにして、アクチュエーターのチューブ又はロッドを側方へ変位又は曲げることなくプレ張力を加えることができる。

最適な場合、機械的並進要素と直接的、又は別のロッドを介して間接的に接触しているアクチュエーターのチューブ又はロッドの他端は、並進要素に対して一定の相対運動を行い、並進要素はこの相対運動をセンタリング要素に伝達して、その機械的張力状態がクライオスタット構造内部の瞬時温度にほぼ無関係になるようにする。

本発明の構造は、低温液体を含む低温容器の一つが超伝導磁石構造を含むときに特に有利な仕方で用いられる。

本発明は、超伝導磁石構造が核磁気共鳴装置、特に磁気共鳴撮像（MRI）又は磁気共鳴スペクトロスコピー（NMR）のための装置の一部である場合に特に好ましい形で利用できる。

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。上述した特徴及び以下で述べる特徴は、単独でも、又は任意の組み合わせによっても利用できる。図示され説明される実施の形態はすべてを列挙したものではなく、発明を説明するための例示的な性質のものと理解すべきである。

図１aと図１bは、低温液体を保持するための低温容器１を有する本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示し、低温容器１は懸吊チューブ２によってクライオスタット構造の外側ジャケット３に取り付けられている。低温容器１に結合されると共に、センタリング要素４を介して外側ジャケット３と接触するセンタリング・デバイスが、低温容器１をクライオスタット構造の外側ジャケット３に対して心合わせするために低温容器１の下端に設けられている。センタリング要素４の一端５は、外側ジャケット３に当接するか、又はそれに取り付けられる。他端６で、センタリング要素はアクチュエーター７に結合され、アクチュエーター７がセンタリング要素４に圧力又は張力を及ぼす。

図２aと図２bは、低温容器１が非対称開口８として設計されたネットチューブを備える本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示す。開口８のこの非対称形態は、特に図２bに示されている。

三つのセンタリング要素４は、好ましくは、図１bと図２bの平面図に示されているように、低温容器１の周縁で一様に分布して配置される。分かりやすいように、センタリング要素４は、図１aと図２aの側面図では対向して配置されている。アクチュエーター７は、容器の上方又は下方のふたに取り付けることもできる。別のスペーサー、例えばアクチュエーターを有するセンタリング要素又は通常の張力センタリングを、容器の他方のふたで用いることができる。

図３aは、センタリング要素４が圧力荷重される本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示す概略断面図である。センタリング要素４はアクチュエーター７に剛体的に結合され、外側ジャケット３に接触している。アクチュエーター７は、低温容器１に、好ましくは低温容器１の外側エッジに近い接触点A、及び好ましくは低温容器１の軸ｚに近い接触点Bで剛体的に結合される。

図３bの実施の形態では、センタリング要素４は張力荷重されている。センタリング要素４はアクチュエーター７及び外側ジャケット３に剛体的に結合される。

図４aは、本発明のクライオスタット構造の詳細な断面図を示す。アクチュエーター７は心合わせされる低温容器１に接触点Aで、例えばねじによって結合され、実質的に二つの構成要素９，１０を含む。

小さな正の熱膨張係数（例えば、炭素繊維強化プラスチック材料）又は負の熱膨張係数の材料から作られる第一の中央構成要素９がある。これは、好ましくは冷却の際に長さがわずかしか減少しないか、又は増加するチューブとして設計される。

第二の構成要素１０は、閉じた端１１と開いた端１２を有するチューブである。これは、第一の構成要素９及びセンタリング要素４よりも大きな直径を有する。第二の構成要素１０はまた、矩形断面を有するチャンネルであってもよい。第二の構成要素１０は、大きな正の熱膨張係数を有する材料（例えば、アルミニウム）から作られ、したがって冷却の際に大きく縮む。

案内スリーブ１３がアクチュエーター７の第一の構成要素９のまわりに配置され、案内スリーブ１３と第二の構成要素１０の間には遊びが残されており、第一の構成要素９を第二の構成要素１０に対して構成要素９を曲げることなくセンタリング要素４の軸の方向に移動させることが可能になっている。したがって、構造への曲げ荷重は第一の構成要素９と第二の構成要素１０との間の結合点で許容できないほど高い張力を生じない。

センタリング要素４は、放射シールド１４を貫通するロッドとして設計される。これは熱伝導性が小さな材料から作られ、高い機械的剛性と高々わずかに正の熱膨張係数を有する（例えば、グラスファイバー強化プラスチック材料）。センタリング要素４のロッドは比較的細いので、冷却の間及びその後に、センタリング要素４の接触点が作用する低温容器１の外側ジャケット３に対する垂直な変位に、曲がっているときにも、適合できる。センタリング要素４は曲げられるだけでなく、アクチュエーター７の構成要素９，１０のように圧力荷重されるので、それはさらに圧力荷重の下で折損しないような寸法に設計しなければならない。

第一の構成要素９はセンタリング要素４に剛体的に結合される、例えばアルミニウム・スリーブに接着される。結合された要素４，９は、第一の構成要素９を囲むチューブとして設計された第二の構成要素１０に押し込まれ、チューブ１０にその閉じた端１１で剛体的に、例えばねじコネクション１５を用いて結合される。第二の構成要素１０は、センタリング要素４によって支持される低温容器１に、開いたチューブ端１２で又はその近くで、すなわち、低温容器の外側の縁の付近の接触点Aで剛体的にねじ固定される。センタリング要素４の自由端５は、クライオスタット構造の外側ジャケット３の壁に圧力を及ぼす。センタリング要素４とアクチュエーター７は低温容器１にプレ張力の下で取り付けられる。この端の方へ、連結されたセンタリング要素４と第一の構成要素９は第二の構成要素１０との結合位置におけるねじコネクション１５によって水平に移動させることができる。

図４bは、センタリング要素４を放射シールド１４に結合する熱的結合要素１６を有する本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示す概略断面図である。外側ジャケット３からの熱入力は熱的結合要素１６によって少なくとも部分的に放射シールド１４によって吸収され、それにより低温容器１への熱入力を減らす。

圧力荷重されたセンタリング・デバイスの個々の要素４，９，１０の長さと熱膨張係数は以下の条件を満たすように選択され調整される。

−センタリング要素４には、冷却後も圧力がかからなければならない。第二の構成要素１０の長さの減少は、センタリング要素４がわずかに短くなったときでもセンタリング要素４の自由端５に圧力荷重がかかるようにする。構成要素４，９，１０の幾何形状が正確にマッチしていない場合、センタリング要素４は冷却後にもはや壁に接触しなくなる可能性がある、又は座屈するほど大きく圧縮される、すなわち、この場合、張力状態は要求されるようにほぼ一定にとどまらない。

−センタリング・デバイスの熱伝導による熱入力は最小に抑えなければならない。このため、特にセンタリング要素４はできるだけ長く、そして細くなければならない。

−センタリング要素４はさらに、冷却の間、低温容器１の垂直変位を折損せずに受容できなければならない。その自由端５も押圧され、すなわち、プレ張力及び接触圧力によって外壁に固定され、非対称の幾何形状では周囲と真空の間の圧力差のためにそれが大きくなるので、冷却中に多かれ少なかれ曲がる。

図４cに示された実施の形態について言うと、センタリング要素４とアクチュエーター７の構成要素９，１０の最適な幾何形状デザインが、上記の相関を説明するために定性的な単純化された仕方で示されている。最適な場合、圧力ロッドの先端（すなわち、センタリング要素４の自由端５）は、冷却の前後に外側ジャケット３の壁に支持され、張力状態を維持する。

一般に、元の長さL_i,0の要素の温度変化△Tによる長さ変化△L_iについて以下があてはまる。

△L_i＝α_i・L_i,0・△T
ここで、α_iは熱膨張係数であり、その値は温度に依存する。たいていの物質ではこれは正であり、温度が低下すると構成要素は縮む（△L_i＜０）。

したがって、冷たい状態での長さは、暖かい状態での長さから次のように計算できる。

L_i＝（１＋α_i△T）L_i,0
理想的な場合、部分長さL₂, L₁及びL₄は冷却後少なくとも部分長さL₃とL₅の和と同じ長さでなければならない。

L₂＋L₁＋L₄≧L₃＋L₅
長さL₅（≒容器１，３の間の間隔）は容器１の収縮から得られる。

L₅＝L₆−L₇
図５aは、図４a〜図４cまでで説明したアクチュエーター７の構成要素９，１０の他に、レバー１８の形の並進要素１７を含む実施の形態を示す。この実施の形態は、構成要素４，９，１０の熱的長さ変化によって、さらにレバー機構によって、外側ジャケット３に対する圧力補償を実行する。並進要素１７は、低温容器１の外側の縁に近い接触点A’で低温容器１に結合される。アクチュエーター７と低温容器１の間の接触点B’は、並進要素１７の接触点A’に対して低温容器１の軸ｚに近いが、それでも低温容器１の外側の縁に近い。第一の構成要素９に取り付けられた別のロッド１９の自由端はレバー１８の短いアームに結合される。上述の実施の形態と対照的に、外側ジャケット３の壁まで伸びるセンタリング要素４は第一の構成要素９に取り付けられず、並進要素１７の長いレバー・アームに接触する。低温容器１が冷却されると、それは収縮して、接触点A’, B’は、互いに非常に近いので、ほぼ同じ距離だけ低温容器の軸ｚの方向に変位する。この変位は上述のように個々の要素４，９，１０の材料の適当な選択によって完全に補償できる。補償が不十分である場合、第一の構成要素９の運動はレバー１８によってセンタリング要素４のより大きな振れに変換され、センタリング要素４にはほぼ一定の圧力が恒久的に荷重され、温度変動による低温容器１の位置変化を補償する。

図５bは、ロッド２０を含むアクチュエーター７’を有する本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示す断面図である。この実施の形態では、ロッド２０は圧力荷重され、負又は小さな正の熱膨張係数の材料から成る。図４a〜図４c及び図５aに示された実施の形態と対照的に、アクチュエーター７’は低温容器の軸ｚに近い接触点Bで結合位置を介して心合わせされる低温容器１に結合される。案内デバイス２１がロッド２０の安定な位置を保証する。アクチュエーター７’のロッド２０はアクチュエーター７’の接触点Bと反対側の端で別のロッド１９によって並進要素１７のレバー１８に間接的に圧力を及ぼす。低温容器は一般に正の熱膨張係数を有する材料から成るので、冷却のさい低温容器１は外側の縁で軸ｚの近くよりもずっと大きく収縮し、それにより並進要素１７の接触点A’を移動させ、レバー１８の回転点２２を右の低温容器の軸ｚの方へ移動させ、他方、ロッド２０が低温容器１に結合されている接触点Bは低温容器の軸ｚの方へわずかしか移動しない。全体として、接触点は互いに向かって移動する。ロッド２０はほぼその長さを保ち、並進要素１７のレバー１８を、センタリング要素４に常に同じ圧力が荷重されるように撓む。接触点A’とBの間の距離は、レバー１８がセンタリング要素４の長さ変化、アクチュエーター７’のロッド２０の長さ変化、及び軸に近い接触点Bの（小さな）変位も補償する。

図５cは、アクチュエーター７’のロッド２０が張力荷重される別の実施形態を示している。この場合、アクチュエーター７’のロッド２０は、低温容器１よりも大きな正の熱膨張係数を有する材料から作られ、レバー１８’の回転点２２’の上に取り付けられ、他方、センタリング要素４は並進要素１７’のレバー１８’に回転点２２’の下で接触する。アクチュエーター７’のロッド２０は、冷却のさいに低温容器よりも大きく収縮し、アクチュエーター７’のロッド２０が並進要素１７’のレバー１８’を引いて、レバー１８’が回転点２２’の下でセンタリング要素４の方向に振れる。センタリング要素へのさらにほぼ一様な圧力荷重が材料と幾何形状の適当な選択によって保証される。

一つ以上の容器がそのときの温度に関わりなく互いに心合わせでき、センタリング要素の張力状態がほぼ一定にとどまる、圧力又は張力センタリングを有する全体的クライオスタット構造が得られる。

センタリング要素を有する低温流体を保持する本発明のクライオスタット構造を示す概略側面図である。 センタリング要素を有する、低温流体を保持する本発明のクライオスタット構造を示す概略平面図である。 センタリング要素を有し、液体冷媒を保持するための非対称開口を有する本発明のクライオスタット構造を示す概略側面図である。 センタリング要素を有し、液体冷媒を保持するための非対称開口を有する本発明のクライオスタット構造を示す概略平面図である。 アクチュエーターと圧力荷重されるセンタリング要素を有する本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示す概略断面図である。 アクチュエーターと張力荷重されるセンタリング要素を含む本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示す概略断面図である。 心合わせされる低温容器の上方の縁に取り付けられたアクチュエーターを含む本発明のクライオスタット構造のある実施の形態を示す概略断面図である。 心合わせされる低温容器の上方の縁に取り付けられたアクチュエーター、及びセンタリング要素と放射シールドの間の熱的結合要素を含む本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示す概略断面図である。 心合わせされる低温容器の下方の縁に取り付けられたアクチュエーター、及びセンタリング要素を含む本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示し、アクチュエーターとセンタリング要素の長さを計算するための個々の長さを示す概略断面図である。 機械的並進要素を有する本発明のクライオスタット構造の実施の形態を示す概略断面図である。 機械的並進要素を有し、アクチュエーターのロッドが圧力荷重される本発明のクライオスタット構造のある実施の形態を示す概略断面図である。 機械的並進要素を有し、アクチュエーターのロッドが張力荷重される本発明のクライオスタット構造のある実施の形態を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 低温容器
２ 懸吊チューブ
３ 外側ジャケット
４ センタリング要素
５ センタリング要素の自由端
６ センタリング要素の他端
７ アクチュエーター
７’ アクチュエーター
８ 非対称開口
９ アクチュエーターの第一の構成要素
１０ アクチュエーターの第二の構成要素
１１ 第二の構成要素の閉じた端
１２ 第二の構成要素の開いた端
１３ 案内スリーブ
１４ 放射シールド
１５ 軸方向ねじコネクション
１６ 熱的結合要素
１７ 並進要素
１７’ 並進要素
１８ レバー
１８’ レバー
１９ 別のロッド
２０ ロッド又はチューブ
２１ 案内デバイス
２２ レバーの回転点
２２’ レバーの回転点
A 低温容器の外側の縁の付近にあるアクチュエーターと低温容器の接触点
A’ 低温容器の外側の縁の付近にある並進要素と低温容器の接触点
B 軸ｚの付近にあるアクチュエーターと低温容器の接触点
B’ 並進要素の付近にあるアクチュエーターと低温容器の接触点
ｚ 低温容器の軸

Claims (19)

1. 少なくとも一つの低温容器（１）に低温流体を保持するクライオスタット構造であって、該低温容器（１）は該クライオスタット構造の外側ジャケット（３）に結合された熱的に絶縁する懸吊チューブ（２）及び／又は懸吊デバイスに懸吊され、該少なくとも一つの低温容器（１）が、さらに外側に配置された容器に対して、好ましくは外側ジャケット（３）に対して、該低温容器（１）の周縁に分布される少なくとも３つのセンタリング要素（４）を用いて心合わせされ、各センタリング要素（４）の一端（５）は、該さらに外側に配置された容器に当接又は結合されるクライオスタット構造において、該少なくとも一つの低温容器（１）の該センタリング要素（４）は、各々、該外側ジャケット（３）から遠い側の端（６）で、それぞれのセンタリング要素（４）に圧力又は張力を及ぼすアクチュエーター（７）に結合され、該アクチュエーター（７）は該低温容器（１）に少なくとも一つの接触点（A, A’, B, B’）で取り付けられており、該アクチュエーター（７）を該低温容器（１）に該接触点（A, A’, B, B’）で固定することによって、該低温容器（１）のサイズの熱的変化により、該アクチュエーター（７）の個々の構成要素のサイズの変化により、及び、場合によっては、機械的並進により、センタリング要素（４）が該クライオスタット構造内の温度に関わりなくほぼ一定の圧力又は張力で、好ましくは室温で存在する圧力又は張力の±10%という範囲内の圧力又は張力で荷重されるように、対応するセンタリング要素（４）に機械的張力が発生されることを特徴とするクライオスタット構造。
2. 該低温容器（１）が他の非対称外向き開口（８）を含むことを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット構造。
3. 該アクチュエーター（７）は、第一の構成要素（９）及び第二の構成要素（１０）を含み、該構成要素（９，１０）が異なる熱膨張係数を有する材料から作られることを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット構造。
4. 該アクチュエーター（７）の第一の構成要素（９）が任意の、特に、可変の断面を有するチューブ又はロッドを備え、熱膨張係数がゼロ以下である材料から作られることを特徴とする請求項３に記載のクライオスタット構造。
5. 該アクチュエーター（７）の第一の構成要素（９）が任意の、特に、可変の断面を有するチューブ又はロッドを含み、熱膨張係数の値が、温度変化に応答して、該第一の構成要素（９）の絶対長さ変化が該第二の構成要素（１０）の絶対長さ変化よりも小さい、好ましくは該第二の構成要素（１０）の絶対長さ変化の高々５分の１であるように選択された材料から作られることを特徴とする請求項３に記載のクライオスタット構造。
6. 該アクチュエーター（７）の該第二の構成要素（１０）が一端が閉じたチューブ又はチャンネルを含み、大きな正の熱膨張係数を有する材料、特に、銅、黄銅、アルミニウム、又は同様の熱的及び機械的性質を有する材料から作られることを特徴とする請求項３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. 該アクチュエーター（７）の第一の構成要素（９）が、チューブ又はチャンネルとして、特に、同軸方向で設計された該アクチュエーター（７）の第二の構成要素（１０）の内部に配置されることを特徴とする請求項３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. 該アクチュエーター（７）の第一の構成要素（９）が、チューブ又はチャンネルとして設計された該アクチュエーター（７）の第二の構成要素（１０）に、該第二の構成要素（１０）の閉じた端（１１）で軸方向ねじコネクション（１５）により移動可能に結合され、該第一の構成要素（９）は、該第二の構成要素（１０）に対して該チューブ軸の方向に移動され得、且つ、該アクチュエーター（７）の第一の構成要素（９）のまわりに配置され該第一の構成要素（９）に剛体的に支持される案内スリーブ（１３）によってチューブ軸の方向に案内され得ると共に、該案内スリーブ（１３）の外径は該案内スリーブ（１３）と該第二の構成要素（１０）との間に遊びを残すに十分な大きさであることを特徴とする請求項６又は７に記載のクライオスタット構造。
9. チューブ又はチャンネルとして設計された該アクチュエーター（７）の第二の構成要素（１０）がその開いた端（１２）で又はその近くで、さらに外側に配置された容器に対して心合わせされる該低温容器（１）に、好ましくは該低温容器（１）の外側の縁の付近にある接触点Aで剛体的に結合されることを特徴とする請求項６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. 該アクチュエーターの該第一の構成要素（９）が該第二の構成要素（１０）に結合されない一端で該センタリング要素（４）に剛体的に結合されることを特徴とする請求項３乃至９のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
11. 該アクチュエーター（７）は、さらに、心合わせされる該低温容器（１）に該低温容器（１）の外側の縁の付近にある接触点（A’）で剛体的に結合された機械的並進要素（１７）、特にレバー（１８）、ギアホイール、又は偏心カム、を含み、それが該第一の構成要素（９）に、別のロッド（１９）を介して間接的に、又は該第一の構成要素（９）の該第二の構成要素（１０）に結合されていない端で直接的に接触することを特徴とする請求項３乃至９のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
12. 該機械的並進要素（１７）と直接的又は間接的に接触している該アクチュエーターの該第一の構成要素（９）の端に該並進要素（１７）に対する一定の相対運動が生じ、該並進要素（１７）がこの相対運動を該センタリング要素（４）にその機械的張力状態がクライオスタット構造内の瞬時的温度とほぼ無関係になるように伝えることを特徴とする請求項１１に記載のクライオスタット構造。
13. 該アクチュエーター（７’）は、熱膨張係数が心合わせされる該低温容器（１）のそれより小さいか又は大きい、任意の、特に、可変の断面を有するチューブ又はロッド（２０）、及び機械的並進要素（１７，１７’）、特にレバー（１８、１８’）、ギアホイール、又は偏心カムを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット構造。
14. 該アクチュエーター（７’）の機械的並進要素（１７，１７’）が、心合わせされる該低温容器（１）に、該低温容器（１）の外側の縁の付近にある接触点（A’）で剛体的に結合されていることを特徴とする請求項１３に記載のクライオスタット構造。
15. 該アクチュエーター（７’）の該チューブ又はロッド（２０）の一端が心合わせされる該低温容器（１）に、該低温容器（１）の軸（ｚ）の付近にある接触点（B）で剛体的に結合されていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のクライオスタット構造。
16. 該アクチュエーター（７’）の該チューブ又はロッド（２０）は、該低温容器（１）に接触点（B）で結合されている一端で軸方向ねじコネクション（１５）によって軸方向に移動され得ると共に、該ねじコネクション（１５）と反対の端で該低温容器（１）に剛体的に結合されている案内デバイス（２１）によってチューブ軸の方向に案内されることを特徴とする請求項１５に記載のクライオスタット構造。
17. 該機械的並進要素（１７，１７’）に直接的、又は別のロッド（１９）を介して間接的に接触する該アクチュエーター（７’）の該チューブ又はロッド（２０）の他端に該機械的並進要素（１７，１７’）に対する相対運動が生じ、該並進要素（１７，１７’）はこの相対運動を該センタリング要素（４）にその機械的張力状態が該クライオスタット構造内の瞬時的温度にほぼ無関係になるように伝えることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
18. 低温流体を有する該低温容器（１）の一つが超伝導磁石構造を含むことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
19. 該超伝導磁石構造が核磁気共鳴装置、特に磁気共鳴撮像装置（MRI）又は磁気共鳴分光装置（NMR）の一部であることを特徴とする請求項１８に記載のクライオスタット構造。

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