JP2008111666A - 極低温冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】改良型パルスチューブ冷凍装置を備えた極低温冷却装置を提供する。
【解決手段】真空容器とヘリウム浴との間にアクセスポートを設けるために、ヘリウムガスで満たされる挿入ソックを有し、アクセスポートが、挿入ソックの軸と一直線に揃えられて、縦方向軸を持つパルスチューブ型冷凍装置を収容しており、パルスチューブ型冷凍装置が、室温にさらされる第１の端部、および、極低温流体に関わる第２の端部を有し、パルスチューブ型冷凍装置が、さらに、前記第１の端部と前記第２の端部との間で少なくとも１つのパルスチューブ、および、少なくとも１つの蓄冷器チューブを囲む、自立性を有する発泡性断熱材料（１０２）から成る断熱スリーブを有しており、断熱スリーブが、対応する前記パルスチューブおよび蓄冷器チューブの断熱をもたらすために、対応するパルスチューブおよび蓄冷器チューブに接しているものとする。
【選択図】図１０Ａ
【解決手段】真空容器とヘリウム浴との間にアクセスポートを設けるために、ヘリウムガスで満たされる挿入ソックを有し、アクセスポートが、挿入ソックの軸と一直線に揃えられて、縦方向軸を持つパルスチューブ型冷凍装置を収容しており、パルスチューブ型冷凍装置が、室温にさらされる第１の端部、および、極低温流体に関わる第２の端部を有し、パルスチューブ型冷凍装置が、さらに、前記第１の端部と前記第２の端部との間で少なくとも１つのパルスチューブ、および、少なくとも１つの蓄冷器チューブを囲む、自立性を有する発泡性断熱材料（１０２）から成る断熱スリーブを有しており、断熱スリーブが、対応する前記パルスチューブおよび蓄冷器チューブの断熱をもたらすために、対応するパルスチューブおよび蓄冷器チューブに接しているものとする。
【選択図】図１０Ａ
Description
本発明は、極低温液体を再凝縮するパルスチューブ型冷凍装置を備えた極低温冷却装置に関し、さらに詳細には、磁気共鳴イメージングシステム用の極低温冷却装置に関する。
多くの極低温装置において、例えば、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）用超伝導コイル、超伝導変圧器、発電機、電子装置のようなコンポーネントは、液化ガス（例えば、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、メタン）に接触させて冷却される。これらのコンポーネントにおいて液化ガスが消散するかシステムに熱が侵入すると、ガスが部分的に沸騰する。この損失を補償するには再充填しなければならない。この保守作業は多くのユーザーにとり面倒なものと考えられており、失われた液体を再凝縮して浴内へ戻す冷凍装置を導入しようとして長年の間多大の努力が傾注されている。
従来技術の一例として、図１に示すＭＲＩ磁石の２段式ギフォード‐マクマホン（ＧＭ）コールドヘッド再凝縮器がある。総括的に１０で示すＧＭコールドヘッドは、保守または修理のために取り外し自在にするために、真空容器の外側表面１６（室温）を４Ｋのヘリウム浴１８に接続するソック(sock)に挿入される。このソックはステンレス鋼製の薄壁チューブであり、室温から極低温のソックの低温端部への熱伝導を最小限に抑えるための第１段スリーブ１２及び第２段スリーブ１４より成る。このソックにはヘリウムガス３０が充填されるが、これは低温端部で約４．２Ｋ、高温端部で室温である。コールドヘッドの第１段スリーブ１２は、例えば４０Ｋ−８０Ｋの中間温度で熱を抽出するためにソック２２の中間熱ステーションに接続され、この中間熱ステーションにスリーブ１４が接続されている。コールドヘッドの第２段２４は、ヘリウムガス再凝縮器２６に接続されている。首部を介する伝導により熱が発生し、熱放射シールド４２からだけでなく他の任意の熱源、例えば磁石用機械式懸架システム（図示せず）、浴に液体を充填するための保守用首部（図示せず）、計器配線アクセス手段、ガス脱出ルートなどから熱が放射される。放射シールド４２は、ヘリウム浴と真空容器の外壁との間に配置される。
コールドヘッドの第２段は、約４．２Ｋで再凝縮器として働く。周囲のヘリウムガスよりもわずかに低温であるため、その表面（表面積を増加するためフィンを設けることができる）上にガスが凝縮され、液体リザバー内へ滴下する。凝縮により局部的に圧力が低下するため、さらに多くのガスが第２段の方へ引き寄せられる。計算ではヘリウムの自然対流による損失はほとんど存在しないことになっているが、これは、コールドヘッドとソックとが垂直に向けられている（高温端部が上方に向いている）場合は実験的に検証されている。ギフォード‐マクマホン冷却器と壁との間に温度分布に差があれば、たとえそれが小さなものであっても、温度によるガス密度変化が大きいため（例えば、４．２Ｋで密度が１６ｋｇ／ｍ3、３００Ｋで密度が０．１６ｋｇ／ｍ3）、重力によるガスの対流が生じる。この対流により、ソックの壁と冷凍装置との間で温度分布が平衡する傾向がある。残りの熱損失が軽微である。図１Ａはコールドヘッド３２、３４が定位置にない対応の図である。さらに詳細には、中間セクション２２に、スリーブ１４で取り囲まれた空間からヘリウムガスが流出できるようにする通路３８を示す。後者の空間は、磁石２０が配置される主要浴３６と流体連通関係にある。さらに、真空容器１６へソックを固着し易くするためにスリーブ１２に設けたフランジ４０を示す。
この装置が傾くと、自然対流により大きな損失が生じる。この問題の解決法は、三菱の米国特許第５，５８３，４７２号に記載されている。しかしながら、この米国特許は、水平配置の装置に関するものであって、本願発明のように、垂直に向けられているかまたは垂線に対して角度が小さい（３０度未満）装置に関するものではないため、装置が傾いた際に生ずる「自然対流により大きな損失が生じる問題」は、ことさらに論じられてはいない。
パルスチューブ型冷凍装置（ＰＴＲ）は、４．２Ｋ（通常圧力における液体ヘリウムの沸点）またはそれ以下の温度で有用な冷却を行えることが示されている(C. Wang and P.E. Gifford, Advances in Cryogenic Engineering, 45, Edited by Shu et al., KluwerAcademic/Plenum Publishers, 2000, pp.1-7)。パルスチューブ型冷凍装置は魅力的であるが、その理由は、冷凍装置の低温部分に可動部品がないため振動が小さく、冷凍装置の摩耗が少ないからである。図２を参照すると、該図は、別個のチューブが熱ステーションで接合された構成のＰＴＲ５０を示す。各段に１つの蓄冷器チューブ５２、５４が設けられているが、これらには異なる形状の固体材料（例えば、メッシュ、充填状態の球体、粉末）が充填されている。これらの材料は熱バッファとして働き、熱をＰＴＲの作動流体（通常は圧力が１．５−２．５ＭＰａのヘリウムガス）と熱交換する。各段に１つのパルスチューブ５６、５８が設けられているが、これらは中空で作動流体の膨張及び圧縮のために使用される。２段ＰＴＲでは、第２段のパルスチューブ５６は通常、第２段６０を室温の高温端部６２とリンクさせ、第１段のパルスチューブ５８は第１段６４を高温端部とリンクさせる。
真空中において最適条件の下で働くＰＴＲには通常、チューブの横断方向において、またソックの定常温度分布とは有意に異なる温度分布が生じることが判明している。これを図３に示す。
図４は、従来技術の別のパルスチューブ型冷凍装置であって、パルスチューブがソックに挿入され、ヘリウム雰囲気に露出されて、第１及び第２段に重力による対流７０、７２が発生する装置を示す。ＰＴＲユニット５０には、外側真空容器１６の凹部にセットされた低温段３１、３３が設けられている。放射シールド４２は第１のスリーブの端部２２と熱接触関係にある。図示のように、再凝縮器２６は第２段の端壁３３上にある。別々のコンポーネントに所与の高さで温度差がある場合、温度が高い方のコンポーネントは周りのヘリウムを加熱して浮力を与えるためヘリウムが上昇するが、温度が低い方のコンポーネントはガスを冷却するためガスは降下する。その結果、１バールのヘリウムガスの密度差は４．２Ｋと３００Ｋとの間で約１００倍変化するため、巨大な熱損失が生じる。ＰＴＲの正味冷却能力は、例えば、５０Ｋで４０Ｗ、４．２Ｋで０．５Ｗ乃至１Ｗである。計算によると、これらの損失は５−２０Ｗのオーダーであることが判明している。一般的に、パルスチューブの内部作動プロセスが影響を受けるが、これはＧＭ冷凍装置では起こらない。ＰＴＲでは、最適性能の基礎となるチューブの最適温度分布は多くのパラメータ、例えば、全てのチューブの幾何学的形状、流れ抵抗、速度、熱伝達係数、弁の設定などの作用をバランスさせる微妙なプロセスにより生じる(Ray Radebaugh, proceedings of the 6th International Cryogenic Engineering Conference, Kitakyushu, Japan, 20-24 May, 1996, pp.22-44に説明されている)。
従って、真空中では可能であるが、ヘリウム雰囲気中では、ＰＴＲは必ずしも温度４Ｋに到達しない。しかしながら、ＰＴＲは、中実の壁部を介して４Ｋと熱接触する真空ソックに挿入した場合、通常の動作を行う。かかる解決法は、ＧＭ冷凍装置についてGEのWilliam E. Cohenへの米国特許第５，６１３，３６７号に記載されているが、ＰＴＲの使用は可能であり簡単であろう。しかしながら、４Ｋのコールドヘッドの熱接触により熱インピーダンスが発生し、これが利用可能な冷凍能力を事実上減少させるという問題がある。一例として、インジウムワッシャーで作製した最新式熱ジョイントを用いると、４Ｋで０．５Ｋ／Ｗの熱接触抵抗が得られる（GEの米国特許第５，９１８，４７０号を参照）。極低温冷凍装置が４．２Ｋで１Ｗを吸収できる場合（例えば、住友重工業のモデルＲＤＫ ４０８）、再凝縮器の温度は４．７Ｋに上昇し、これが超伝導ワイヤーの電流搬送能力を劇的に減少させる。あるいは、ジョイントの遠隔側で冷却能力を利用できるようにするべく最初に３．７Ｋで１Ｗを発生するためには、さらに強力な極低温冷凍装置が必要であろう。
図５は、かかるＰＴＲ装置７６の一例を示す。このコンポーネントは図４に示したものと実質的に同一である。ＰＴＲのコールドヘッドの第２段とフィンを設けた熱シンク８０との間には、熱ワッシャー７８が設けられている。熱ワッシャーと熱シンクとの間にはヘリウムを通さない気密の壁が設けられている。
本発明の課題は、改良型パルスチューブ冷凍装置を備えた極低温冷却装置を提供しようとするものである。
上記課題は、以下により達成される。即ち、本発明は、真空容器（１６）自体の内部にヘリウム浴（７４）を備えてなる極低温冷却装置であって、前記真空容器が、前記真空容器と前記ヘリウム浴との間にアクセスポートを設けるために、ヘリウム・ガス（３０）で満たされており、かつ、垂直線から３０°以内に据えられた軸を持っている挿入ソック（１２、１４）を有し、前記アクセスポートが、前記挿入ソックの前記軸と一直線に揃えられて、前記垂直線から３０°以内に据えられた縦方向軸を持つパルスチューブ型冷凍装置（９０）を収容しており、そして、前記パルスチューブ型冷凍装置が、室温にさらされる第１の端部（６２）、および、極低温流体に関わる第２の端部（６０）を有し、少なくとも１つのパルスチューブ（５６）、および、少なくとも１つの蓄冷器チューブ（５２、５４）が、前記第１の端部と前記第２の端部との間に延在し、前記パルスチューブ型冷凍装置が、さらに、前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記少なくとも１つのパルスチューブ、および、前記少なくとも１つの蓄冷器チューブを囲む、自立性を有する発泡性断熱材料（１０２）から成る断熱スリーブを有しており、前記断熱スリーブが、対応する前記パルスチューブおよび蓄冷器チューブの断熱をもたらすために、対応する前記パルスチューブおよび蓄冷器チューブに接していることを特徴とする（請求項１）。
また、前記第１の端部と前記第２の端部との間に、中間段（３４）を、さらに備えてなり、そして、前記第１の端部と前記中間段との間に延在する、少なくとも１つのさらなるパルスチューブ（５８）を、さらに備えてなる、請求項１に記載の極低温冷却装置であって、前記少なくとも１つの蓄冷器チューブが、前記中間段に熱的に連結されており、自立性を有する発泡性断熱材料から成る第１の断熱スリーブが、前記第１の端部と前記中間段との間で、前記少なくとも１つのパルスチューブ、前記少なくとも１つのさらなるパルスチューブ、および、前記少なくとも１つの蓄冷器チューブを取り囲んで設けられており、そして、自立性を有する発泡性断熱材料から成る第２の断熱スリーブが、前記中間段と前記第２の端部との間で、前記少なくとも１つのパルスチューブ、および、前記少なくとも1つの蓄冷器チューブを取り囲んで設けられていることを特徴とする（請求項２）。
さらに、前記請求項１または２に記載の極低温冷却装置において、前記自立性を有する発泡性断熱材料が、プラスチック発泡材料、ポリウレタンフォームからなるグループの中から選ばれることを特徴とする（請求項３）。
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。まず、本発明の実施の形態について述べる前に、前記請求項１〜３に係る本発明の構成とは異なるが、本発明実施のための基礎となる構成（基礎的構成）について説明する。
以下の説明において、多数の特定の詳細事項は本発明の完全な理解を図ろうとするものである。しかしながら、当業者には、本発明は特定の実施例の変形例により実施可能であることが明らかであろう。
以下の説明において、多数の特定の詳細事項は本発明の完全な理解を図ろうとするものである。しかしながら、当業者には、本発明は特定の実施例の変形例により実施可能であることが明らかであろう。
図６は、本発明の基礎的構成に係る第１の実施例であり、ＰＴＲ９０は、コールドヘッド６２の高温端部と第一段３４との間及び第一段３４と第二段２４との間で周りの二重スリーブ組立体１２、１１２；１４、１１４によりそれぞれ断熱されたチューブを有する。
第二段のスリーブは第一段のスリーブに比べて小さい直径でよい。スリーブの壁部１２、１４、１１２、１１４は二重壁でよく、製造時に、例えば、真空ろう付けまたは電子溶接ビームのような真空プロセスにおいてそれらを接合することにより排気してもよい。かかる場合、別個の排気プロセスは不要であり、ポートを取り付ける必要がなく、部品の複雑さが最小限に抑えられる。あるいは、別の例として、製造後に、別個の排気ポート（図示せず）を取り付けることによって排気することが可能である。スリーブは装置の全てのチューブを取り囲み、それらの間に小さな環状ギャップだけが形成される。磁石装置の真空容器の外壁を参照番号１６で示すが、壁７４を有するヘリウム浴内の磁石は参照番号２０で示す。放射シールド４２は第一段３４に熱接触部２２を介して固着される。上述したように、フィン付きのヘリウム再凝縮器２６が設けられている。図６Ａは、外側ソック及び外側ソックの外側のコンポーネントのない状態の図６の構成を示す。
図７は、高温端部としても知られるコールドヘッドと第一段との中間部分の水平断面図である。パルスチューブ及び蓄冷器チューブを参照番号５６、５８、５２で示す。スリーブの壁部は、ヘリウムの漏洩を防止すべく拡散のない構造にするために、恐らく、金属ライナーを備えた、薄ゲージのステンレス製チューブまたはチタン、ＧＲＰ、ＣＦＲＰのような複合物の他の適当な材料で製造することができる。内側ソック１１２内の空間９８は、熱対流損失を回避するために排気される。このチューブは、溶接またはろう付けのような従来式接合技術によりコールドヘッド及び第一及び第二段に連携するフランジに接合される。図８は、第二段のパルスチューブ５６及び蓄冷器チューブ５４の下方端部の断面図である。溶接またはろう付けした真空漏れのない接合部を９６で示す。
スリーブ１１２、１１４の内部の真空度は、好ましくは低温端部においてゲッター物質（例えば、活性炭、チューブの周りに巻くことができるカーボン紙、ゼオライトなど）を挿入することにより増加することができる。断熱特性は、図９Ａに示すように、超断熱フォイル９１を真空空間内に配置することにより増加することができる。
チューブ間の断熱空間は製造時は排気されず、空気が存在する。冷却時に、空気が凝縮して、最終的にコールドヘッドの低温端部（４．２Ｋ）の方へ凍結する。ゲッター物質をこの環境内に配置することが可能であるが、これは断熱空間内の雰囲気の圧力を減少する上で特に有用である。断熱特性がある程度犠牲にされるが、これは真空ラインまたは真空プロセスが不要で製造コストが減少するということで帳消しである。
図９Ｂ、Ｃ及びＤは、それぞれ異なる機械的構成の真空スリーブを示す。明解を期するために、これらの図は第一段と第二段の間のスリーブだけを示す。スリーブの壁厚は熱伝導を減少させるために最小限に抑える必要がある。外側のヘリウム圧力（動作モード時で通常は１バール乃至３バール）による座屈を回避するために、幾つかの方法で（通常は図９Ｂ及びＣに示すように壁９３、９４を波形にすることにより）補強を行うことが可能であるが、図９Ｄに示すように別の強化手段９５を設けてもよい。
同程度の断熱は得られないが、前記請求項１〜３に記載されたように、真空スリーブと同じ構成のチューブ間に非真空断熱方式を適用することも可能である。かかる充填物を配置すると座屈に対する大きな抵抗力が得られる。図１０Ａに示すように、パルスチューブ及び蓄冷器チューブは断熱材料で取り囲むことができる。断熱材料としては、例えば、Cryo-lite CompanyのCryofoamのようなプラスチック発泡材料１０２、ポリウレタンフォーム、ガラス繊維断熱材料、フェルトなどがある。かかる発泡材料は、現場でチューブ構造の周りで膨張させることができる。図１０Ｂは、非真空スリーブまたは低真空スリーブに、例えば、パーライトのような粉末状断熱材料または中空ガラス球１０４のような断熱材料を緩く充填し、内部を排気するか、例えば、スパッタリングしたアルミニウムのような反射性フィルムで覆って放射を減少させる場合を示す。
個々のチューブは互いに異なる態様で断熱し、断熱と部分的な断熱とを任意に組み合わせてもよい。例えば、第一段は真空断熱材料で覆い、第二段は発泡性断熱材料で覆うようにしてもよい。また、一部の例では、第一段または第二段だけを断熱すれば十分な場合がある。
４Ｋのほとんどの例は二段冷却器で動作するが、同じ技術を単一段冷却器または三段またはそれ以上の段を有する冷却器に適用することが可能である。
１２，１４：挿入ソック、１６：真空容器、３０：ヘリウムガス、５２，５４：蓄冷器チューブ、５６，５８：パルスチューブ、６０：第２の端部、６２：第１の端部、９０：パルスチューブ型冷凍装置、１０２：発泡性断熱材料。
Claims (3)
- 真空容器（１６）自体の内部にヘリウム浴（７４）を備えてなる極低温冷却装置であって、前記真空容器が、前記真空容器と前記ヘリウム浴との間にアクセスポートを設けるために、ヘリウム・ガス（３０）で満たされており、かつ、垂直線から３０°以内に据えられた軸を持っている挿入ソック（１２、１４）を有し、前記アクセスポートが、前記挿入ソックの前記軸と一直線に揃えられて、前記垂直線から３０°以内に据えられた縦方向軸を持つパルスチューブ型冷凍装置（９０）を収容しており、そして、前記パルスチューブ型冷凍装置が、室温にさらされる第１の端部（６２）、および、極低温流体に関わる第２の端部（６０）を有し、少なくとも１つのパルスチューブ（５６）、および、少なくとも１つの蓄冷器チューブ（５２、５４）が、前記第１の端部と前記第２の端部との間に延在し、前記パルスチューブ型冷凍装置が、さらに、前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記少なくとも１つのパルスチューブ、および、前記少なくとも１つの蓄冷器チューブを囲む、自立性を有する発泡性断熱材料（１０２）から成る断熱スリーブを有しており、前記断熱スリーブが、対応する前記パルスチューブおよび蓄冷器チューブの断熱をもたらすために、対応する前記パルスチューブおよび蓄冷器チューブに接していることを特徴とする極低温冷却装置。
- 前記第１の端部と前記第２の端部との間に、中間段（３４）を、さらに備えてなり、そして、前記第１の端部と前記中間段との間に延在する、少なくとも１つのさらなるパルスチューブ（５８）を、さらに備えてなる、請求項１に記載の極低温冷却装置であって、前記少なくとも１つの蓄冷器チューブが、前記中間段に熱的に連結されており、自立性を有する発泡性断熱材料から成る第１の断熱スリーブが、前記第１の端部と前記中間段との間で、前記少なくとも１つのパルスチューブ、前記少なくとも１つのさらなるパルスチューブ、および、前記少なくとも１つの蓄冷器チューブを取り囲んで設けられており、そして、自立性を有する発泡性断熱材料から成る第２の断熱スリーブが、前記中間段と前記第２の端部との間で、前記少なくとも１つのパルスチューブ、および、前記少なくとも1つの蓄冷器チューブを取り囲んで設けられていることを特徴とする極低温冷却装置。
- 前記自立性を有する発泡性断熱材料が、プラスチック発泡材料、ポリウレタンフォームからなるグループの中から選ばれることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却装置。
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