JP2008170145A - 極低温で被冷却装置を輸送するためのクライオスタット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、断熱真空層内における真空中汚染物質の対流効果を低減させることによって、より高速の熱流入への移行を排除するか少なくとも抑制することにある。
【解決手段】比較的低温度の極低温で沸騰する作動極低温冷媒によって被冷却装置を冷却するように構成され、比較的高温度の極低温で前記被冷却装置を輸送するためのクライオスタットであって、前記被冷却装置を包囲する真空容器を備え、かつ前記真空容器と被冷却装置との間に名目上の真空排気層（公称真空排気層）を形成するものにおいて、前記比較的高温度の極低温においては前記真空排気層内に気体の形態で存在するが、前記比較的低温度の極低温では液体または固体の形態で保持される真空中汚染物質の分子を吸収するため、前記公称真空排気層内にゲッタ材料が配置されてなることを特徴とするクライオスタット。
【選択図】図２

Description

本発明は、極低温で被冷却装置を輸送するためのクライオスタット、ならびに比較的高温度の極低温で被低温冷却装置を輸送するための方法に関する。

当該技術において周知のように、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）システム用の超伝導マグネット構造のような被冷却装置は、少なくとも部分的に作動極低温冷媒が充填されたクライオスタットに入れて極低温で輸送するのが一般的である。輸送中、極低温冷媒が沸騰して、被冷却装置を作動極低温冷媒の沸点に保つ。

輸送中の被冷却装置の温暖化率は、装置に流入する熱流束によって決まる。これは、さらに３つの主たる原因によって決まる。第１に、比較的暖かい表面から冷えた近傍表面に放射熱が放出される。この典型的な例に、被冷却装置を収容した極低温容器に熱を放射する比較的暖かい外側真空室がある。第２に、被冷却装置を所定位置に保持するか、または、外側真空室内の所定位置に極低温容器を保持する機械的支持構造を介した熱伝導がある。第３に、対流熱流が、例えば極低温容器とクライオスタットの外側真空容器との間といった、比較的暖かい表面と比較的冷えた表面との間の名目上の真空排気層（以下、公称真空排気層という。）に閉じ込められた真空中の残留汚染物質ガスの対流によって生じる。被冷却装置に流入する放射熱流及び対流熱流は、両方とも、クライオスタットの異なる部分間の温度差に大きく左右されるが、この依存性はクライオスタットの構造にも影響される。一方、対流熱の流入とクライオスタットの異なる部分の温度または温度差との関係は単純ではない。これは、公称真空排気層における真空の質（真空中の残留汚染物ガスの比率）が温度によって一定ではないためである。通常動作の場合、クライオスタットは、作動極低温冷媒の沸騰によって作動極低温冷媒の沸点であるその動作温度に保持される。真空中の汚染物は、クライオスタットの最低温部分（被冷却装置を収容した極低温容器または被冷却装置に接触するように配置された液体極低温冷媒を含む冷却管）に凍結して付着する。良質のすなわち「確かな」真空は、固体形態で真空中の汚染物質を保持する極低温によって維持される。

しかしながら、輸送中、クライオスタットは、当初作動極低温冷媒の沸騰によって作動極低温冷媒の沸点温度に保持される。しかしながら、作動極低温冷媒に蒸発損が生じると、クライオスタットは温まることになる。凍結していた真空中汚染物の一部が気体状態に戻って、真空の質を劣化させる。各汚染物質の沸点において、対流熱流入の急激な増大が観測される。

本発明で取り扱うある特定の状況において、被冷却装置は液体ヘリウムによって作業温度に維持される。ヘリウムの沸騰によってある特定時間期間にわたって装置を動作温度に保持するため、ある量の液体ヘリウムがクライオスタット内に入れられる。輸送中に液体ヘリウムが沸騰して液がれすると、輸送中に装置の温度が上昇することになる。到着と同時に、装置を冷却して液体ヘリウム温度（約４Ｋ）に戻すことが必要になる。これには、一般に、ある特定量のヘリウムの消費が必要になるが、システムが周囲温度（約２９０Ｋ）まで温まっている場合、かなりの量になる可能性がある。

水素は約２０Ｋで沸騰する。クライオスタットが４Ｋから暖まるにつれて、公称真空排気層内の凝固水素が約２０Ｋで蒸発し、公称真空排気層内に熱対流による流れを生じさせることが可能になり、非冷却装置への対流熱の流入が増大する。

図１には、ヘリウム作動極低温冷媒が沸騰して液がれする瞬間から始まる非冷却装置の加温の実験結果が示されている。曲線２１は、被冷却装置の温度を表している。この例では、公称真空排気空間に熱シールドが設けられている。シールドの温度が曲線２５として示されている。見て分かるように、被冷却装置の温度２１は、放射熱と対流熱の流入によって決まる第１の定常速度で上昇する。温度が沸点が最低の真空中汚染物質（一般に約２０Ｋの水素）の沸点まで上昇すると、温度上昇速度が急激に増すことになる。温度上昇速度は、放射熱、伝導熱、及び、対流熱の流入によって決まる、第１の定常速度を超える第２の定常速度で整定する。シールドの温度２５は、当初は放射熱と対流熱の流入によって決まる第１の定常速度で上昇する。温度が沸点が最低の真空中汚染物質（一般に約２０Ｋの水素）の沸点まで上昇すると、実際の温度が急激に降下し、放射熱、伝導熱、及び、対流熱の流入によって決まる、第１の定常速度を超える第２の定常速度の温度上昇が後続する。シールドの急激な温度降下は、極低温容器への熱伝達によってシールドを冷却する対流の発生によって生じる。

本発明の目的は、断熱真空層内における真空中汚染物質の対流効果を低減させることによって、より高速の熱流入への移行を排除するか少なくとも抑制することにある。

これは、特許請求の範囲における各請求項に記載の方法及び装置によって実現される。

本発明の以上の及びさらなる目的、特性、及び、利点については、添付の図面と併せて、その特定の実施形態に関する下記の説明を検討することによってより明らかになるであろう。

磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）システム用のマグネットのような多くの極低温で冷却される既知の装置は、液体ヘリウム温度（約４Ｋ）で動作させられるが、液体ヘリウムのコスト及び入手しにくさのため、液体ヘリウム温度でこうしたシステムを輸送するのは困難であり高くつく。結果として、被冷却装置には、輸送のために限られた量の液体ヘリウムしか提供されない可能性があり、被冷却装置が送り先に到着する前に使い果たされる可能性がある。その結果、被冷却装置は、上述のように熱流入のために温度上昇を始める可能性がある。

上述のように、真空断熱層の断熱効果は真空中汚染物質の存在によって劣化する。いくつかのこうした汚染物質は、液体ヘリウム温度で固体であるが、装置が温度上昇すると蒸発する。言い換えると、これは、被冷却装置への熱流入が真空中汚染物質の沸点で急速に増大するということになる。典型的なこうした真空中汚染物質は水素であり、約２０Ｋで沸騰する。送り先で大量の極低温冷媒を費やすかまたは長期間にわたる機械的冷却を施さない限り、結果として生じる熱流入の増大によって、被冷却装置の輸送に利用可能な時間が事実上短縮されることになる。

本発明の目的は、汚染物質が蒸発して断熱真空空間内に侵入するのを阻止することによって真空中汚染物質の影響を軽減し、その結果、断熱真空の質が向上し、装置の輸送温度における熱流入速度が低下し、従って、利用可能な輸送時間が延長されるようにすることにある。

図２には、ＭＲＩシステム用のマグネットを収容するために用いられる一般的なクライオスタットが例示されている。極低温容器１が、液体極低温冷媒２によって部分的に充填されている。外側真空容器４が、極低温容器を包囲し、２つの容器間に真空層を形成している。真空層に真空排気を施すことによって、熱伝導及び対流が遮断される。外側真空容器からの熱放射から極低温容器１を防護するため、真空層内に熱シールド５を配置することが可能である。クライオスタットの輸送中、極低温容器の上部３から極低温冷媒２の蒸発損が生じ、ネック状管装置１２、１４を通って漏出することになる。ヘリウム極低温冷媒２の沸騰中、極低温容器は、水素を含む大部分の真空中汚染物質が凝固して極低温容器の表面に霜として付着することになる温度まで冷却される。その固体状態においては、こうした汚染物質が真空の質を劣化させることはなく、真空空間内における熱対流の結果として極低温容器に熱が流入する場合でも、ほとんどない。

本発明で特に取り扱うクライオスタットは、限定された持続時間にわたってその沸点温度を維持する、一般にはヘリウムである作動極低温冷媒の貯蔵には限界がある。貯蔵された作動極低温冷媒が沸騰して液がれすると、クライオスタットは対流及び放射による熱流入のために温度が上昇する。この温度上昇中に、一般には水素である凝固した真空中汚染物の一部が蒸発して真空層に入り込み、熱対流によって極低温容器へのさらなる熱流入を生じさせる。

本発明によれば、真空層内にいくつかのゲッタ材料片２０が配置される。このゲッタ材料はターゲット材料の分子を保持する特性を備えている。この場合、ターゲット材料は、真空層内にある真空中汚染物質である。

水素の場合、既知の有効な市販のゲッタ材料が、薄い「箔」の形態で提供されており、本発明の場合、裏面粘着式で、チタン・バナジウム合金によるコーティングが施され、パラジウム層で覆われるのが好ましいアルミニウム・キャリアシートから構成されている。チタン・バナジウム合金は、活性ゲッタ材料であるが、パラジウム層は水素限定フィルタの働きをする。箔形態は、比較的安価であることが分かっている。半導体のガス放出のために開発された適合するゲッタ材料がＳＡＥＳ ｇｅｔｔｅｒｓ（ｗｗｗ．ｓａｅｓｇｅｔｔｒｓ．ｃｏｍ）によってＲＥＬ−Ｈｙ^TMの商標で市販されている。

ＳＡＥＳ ｇｅｔｔｅｒｓは、低温パイプの真空排気されたジャケット、液体酸素用デュワー、液体酸素用タンクから水素を吸収するＬＯＴＨＡＲ^TMとして知られる材料も生産している。この材料は、水素の沸点を超える温度で動作するので、有効な真空ジャケットを装着して、真空ジャケット内の水素の存在に起因する動作状態時における対流加熱を回避するには、真空空間から水素を除去するのが不可欠になる装置内に確かな真空を実現するために提供されている。

本発明ではかなり異なる問題を取り扱う。本発明で取り扱う真空ジャケットは、水素の沸（または昇華）点よりかなり低い温度で機能する。動作中、装置内の確かな真空を可能にするようにゲッタが設けられるのではなく、確かな真空は作動極低温冷媒の極低温によって確実になる。むしろ、本発明では、その動作温度より高い温度で装置を輸送する方法が取り扱われるが、この比較的高温の輸送期間中、十分に確かな真空が生じることを保証するためにゲッタが必要になる。本発明で取り扱う装置が動作状態になると、装置は作動極低温冷媒の温度に戻り、真空中汚染物質が凝固して、対流加熱源が排除される。

極低温容器１が作動極低温冷媒によって充填される前のように、水素のような真空中汚染物質が気相の場合、汚染物質の分子は真空層中をランダムに移動する。ある時点で、各分子がゲッタ材料と接触することになる可能性がある。ゲッタ材料は、それに接触することになる分子の少なくとも一部を捕獲する。汚染物質の分子は、ゲッタ材料によって捕獲されると、もはや熱対流による流れに関与することができなくなり、汚染物質の沸（または昇華）点以上における熱流入速度の上昇がなくなるか、または、少なくとも抑制される。

本発明のある特定の実施形態では、クライオスタットの組立て前に、それぞれ約７ｃｍ×１５ｃｍのゲッタ材料の裏面粘着式ストリップが真空容器４の内表面に貼り付けられた。真空容器４の内表面にこれらのストリップをほぼ均等に配分することによって、ゲッタ材料への水素分子の平均経路が最短化される。ゲッタ材料への平均経路を最短化することによって、ゲッタが汚染物質分子を捕獲するのに必要な密度差が減少する。

ターゲットガスの分子だけを抽出する必要がある場合、ゲッタは適切なフィルタ材料でコーティングしなければならない。上述の例では、パラジウム層が水素限定フィルタとして用いられる。他のフィルタ層を用いて、他のガスに限定されたゲッタ材料を製作することも可能である。大気中において低濃度で自然に存在するガス（水素のような）の場合、活性ゲッタ層材料にフィルタ層をかぶせると、有効処理時間、すなわち、ゲッタ材料が空気からの分子で満杯になって、もはやクライオスタットの真空層内に配置しても役に立たなくなる以前の時間が延長される。

既述の平面状「箔」形態によって、真空層内での取り付け及び配分が容易になる。ゲッタ材料片は、真空容器４の内表面に配置することが可能である。代わりにまたは加えて、極低温容器１の外表面にゲッタ材料片を配置することも可能である。代わりにまたは加えて、真空層内に設けられた任意の熱シールド５の表面にゲッタ材料片を配置することも可能である。

真空汚染物質分子の少なくとも一部がゲッタ材料によって捕獲されるので、真空層内における熱対流の影響は少なくとも低減する。これによって、さらに極低温容器に対する熱流入が減少し、犠牲極低温冷媒の蒸発損率が低下し、利用可能な輸送時間が延長される。

外側真空容器は一般にステンレス鋼から構成されている。鋼の焼きなましに水素が用いられるので、後になって、例えば、本発明で取り扱うクライオスタットの真空断熱層に用いられるような極真空にさらされると、水素が放出されることになる。

作動極低温冷媒槽内に被冷却装置を収容するクライオスタットに関連して本発明の説明を行ってきたが、本発明は、熱伝導管が冷却すべき装置と熱的に接触し、比較的少量の作動極低温冷媒を保有している冷却ループ構成によって、被冷却装置の冷却が実施されるといった構成にも適用可能である。

本発明によれば、真空層における真空の質が向上するが、有効な初期真空排気の代わりになるものではない。

本発明はとりわけ真空中汚染物質の水素に関連して記述された。しかしながら、本発明は、他の真空中汚染物質にも適用可能である。しかしながら、水素の沸点は、現在一般に用いられている極低温冷媒であるヘリウムと窒素の沸点の間に位置するので、水素が特に関連性がある。本発明は、とりわけ作動極低温冷媒のヘリウムによって冷却される真空室内の汚染物質である水素に関連して説明されたが、本発明は、異なる汚染物質による問題を克服するため、他の極低温冷媒を利用する極低温冷却システムに適用可能である。

本発明は、第１の温度で沸騰する作動極低温冷媒によって冷却され、さらに第１の温度より高い第２の温度で沸騰する犠牲極低温冷媒によって低温に保持されるクライオスタットにも適用可能であり、こうしたシステムは、第２の温度において真空排気層内に存在する真空中汚染物質ガスに起因する対流によって熱流入を被ることになるが、こうした汚染物質は第１の温度において液体または固体の形態に保持される。これに関して、本発明は、当初はヘリウムのようなより沸点の低い作動極低温冷媒の温度まで冷却され、低温における全熱容量を増大させるため窒素が与えられる、ある量の窒素を用いるクライオスタットにも有効に適用することが可能である。

冷却用に貯蔵された作動極低温冷媒が沸騰して液がれしてしまった後の、極低温冷却システムの典型的な温度変動を例示した図である。 本発明の実施形態の一例に基づく一般的なクライオスタットを例示した図である。

符号の説明

１ 極低温容器
２ 液体極低温冷媒
３ 極低温容器の上部
４ 外側真空容器
５ 熱シールド
１２ ネック状装置
１４ ネック状装置
２０ ゲッタ材料片

Claims (11)

1. 比較的低温度の極低温で沸騰する作動極低温冷媒によって被冷却装置を冷却するように構成され、比較的高温度の極低温で前記被冷却装置を輸送するためのクライオスタットであって、前記被冷却装置を包囲する真空容器を備え、かつ前記真空容器と被冷却装置との間に名目上の真空排気層（公称真空排気層）を形成するものにおいて、前記比較的高温度の極低温においては前記真空排気層内に気体の形態で存在するが、前記比較的低温度の極低温では液体または固体の形態で保持される真空中汚染物質の分子を吸収するため、前記公称真空排気層内にゲッタ材料が配置されてなることを特徴とするクライオスタット。
2. 前記被冷却装置を収容する極低温容器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット。
3. 前記被冷却装置が冷却ループ構成によって冷却されることを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット。
4. 前記ゲッタ材料が平面状の箔の形態をなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のクライオスタット。
5. 前記ゲッタ材料が前記真空容器の内側表面に取り付けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のクライオスタット。
6. 前記ゲッタ材料が前記極低温容器の外側表面に取り付けられることを特徴とする請求項２，４，５のいずれか１項に記載のクライオスタット。
7. 前記ゲッタ材料が前記公称真空排気層内に配置された熱シールドに取り付けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のクライオスタット。
8. 比較的高温度の極低温で被低温冷却装置を輸送するための方法であって、
   前記被冷却装置を収容して、前記被冷却装置のまわりに公称真空排気層を形成する真空容器を設けるステップと、
   前記被冷却装置と熱的に接触する作動極低温冷媒を供給することにより、前記作動極低温冷媒が沸騰して、前記作動極低温冷媒の沸点である比較的低温度の極低温に前記被冷却装置を保つことができるようにするステップが含まれており、
   さらに、前記真空層内にゲッタ材料を設けて、前記比較的高温度の極低温においては前記公称真空排気層内に存在するが、前記比較的低温度の極低温では液体または固体の形状で保持される真空汚染物質ガスの分子が前記ゲッタ材料に捕獲されるようにするステップが含まれることを特徴とする方法。
9. 前記ゲッタ材料が、前記比較的低温度の極低温と前記比較的高温度の極低温の間の沸点または昇華点を有する汚染物質ガスに対して選択的であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 極低温冷媒が沸騰して液がれした場合に、極低温容器を包囲する断熱真空領域の質を向上させるためのゲッタ材料の利用法であって、液体極低温冷媒が存在する間、前記ゲッタ材料は不作用であり、かつ、前記極低温冷媒が、前記真空中汚染物質が気相になる温度より低い温度で沸騰するようなものであることを特徴とする利用法。
11. 極低温冷媒が沸騰して液がれしてしまった後、極低温容器を包囲する断熱真空領域の質を向上させるための、沸騰液体極低温冷媒によって極低温冷却された装置の輸送におけるゲッタ材料の利用法であって、液体極低温冷媒が存在する間、前記ゲッタ材料は不作用であり、かつ、前記極低温冷媒が、前記真空中汚染物質が気相になる温度より低い温度で沸騰するようなものであることを特徴とする利用法。

Images