JP2008286453A - 冷却菅 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヘリウム蒸発量低減及び磁気雑音発生の低減を図ることができると共に、冷却の立ち上がり特性が改善された冷却菅を提供する。
【解決手段】 筒状真空容器２１の上端部に取り付けられた極低温冷凍機１１の寒冷発生部１３が前記真空容器２１内に配置され、熱媒体が封入され前記真空容器２１の下端にて寒冷露出部１３を形成する伝熱管１５を介して外部に露出する冷却菅において、前記寒冷発生部１３に一端が接続し少なくともその他端面を介して前記熱媒体を冷却する高熱伝導性金属棒２２を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生体磁気計測用の極低温クライオスタット等に使用する冷却管に関し、特に冷却管が長尺な場合の冷却の立ち上がり時間を改善した冷却管に関する。

生体磁気計測用の極低温クライオスタット等の寒冷発生手段として、ヘリウム蒸発量低減及び磁気雑音発生の低減を図った冷却管が、従来から提案されている。この場合、冷却管の構成の中心は、寒冷発生部としての極低温冷凍機と、必要とする対象に寒冷を提供する寒冷露出部とを真空断熱容器で分離し、この間を輻射断熱したヒートパイプで接続する点にある。

図３はこのような冷却管の従来例で、脳磁計のヘリウム蒸発量低減などに使用するものの基本構造を示す縦断面図である。

なお、以下説明の都合上、寒冷とは熱を吸収することを意味し、熱の発散や熱の流れとは逆の意味で使うものとする。また冷凍機に付属する高圧ガス供給配管やガス圧縮機等は省略するものとする。

図３において、冷凍機の膨張機１１は、ＳＵＳ等の熱伝導の低い非磁性金属でできており、さらにＳＵＳ製筒状真空容器の上端部に気密に取り付けられている。真空容器は、前記冷凍機が結合する上部真空容器１２とその下部に連結延長されたＳＵＳ管製の下部真空容器１７よりなる。

寒冷発生部１３は銅製であり、上部真空容器１２内の空洞部に配置されている。この寒冷発生部１３は、冷凍機の膨張機１２と結合して冷凍機の構造の一部を形成しており、この部分で極低温を発生する。

多層熱輻射シールド箔１４は、熱輻射シールド部材を形成する。その構造は、マイラー等のプラスチック等のフィルムにアルミ等の熱反射効率の高い金属を蒸着した熱輻射シールド箔を、互いに接触しないよう熱伝導率の小さい薄いプラスチック製スペーサで多層にしたものであり、箔の外部からの輻射伝熱を防止する高性能保冷材として機能する。

伝熱管１５は、寒冷発生部１３にその一端が接続されたヒートパイプ等で形成される。この伝熱管１５は、下部真空容器１７内に収容され、他端が下部真空容器１７の下端より外部に露出して外部に寒冷を伝達する寒冷露出部１８を形成している。

この伝熱管１５の機能は、寒冷を外部に伝達するもので、距離の短い場合や熱輸送量の小さな場合は銅やアルミブロックでもよい。ヒートパイプの場合、寒冷発生部１３の温度に応じて内部封入ガス種を変えるが、例えば５０Ｋ〜８０Ｋの窒素温度を伝達するには窒素ガスを適当な圧力で封入するか、当該温度領域及び内部ガス圧で液相―気相の状態を持ちうるガスを封入する。

前記熱輻射シールド箔１４は、前記寒冷発生部１３に結合しており、上部真空容器１２内の寒冷発生部１３及び下部真空容器１７内の伝熱管１５を囲んで配置され、箔の外部からの輻射伝熱を防止する。スペーサ１６は熱伝導率の低い樹脂等からなり、下部真空容器１７と伝熱管１５が熱的に短絡するのを防ぐ目的で挿入されている。

真空封止弁１９は、上部真空容器１２の外周部に取り付けられる。内部のガスを排出するために真空引き装置に接続して弁を開く時にのみ使用し、通常は閉じて気密を保つ。封止板２０は、下部真空容器１７の下端における伝熱管１５の貫通部分にあって、両者の気密接合を確保する。

ＳＵＳ製管の下部真空容器１７は、先端部に行くに従って肉薄とし、寒冷露出部１８より下部真空容器１７の上部方向への伝導伝熱が小さくなるようにする。又封止板２０は、肉薄でバネ性を持つものとし、下部真空容器１７と伝熱管１５の温度差及び下部真空容器１７の上部下部の温度差による線膨張差による歪を吸収するバネ性を持つものとする。

冷凍機としてＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機やパルスチューブ冷凍機等の１段冷凍機を使用する場合には、冷凍機膨張機１１の銅製寒冷発生部１３で４０〜８０Ｋ程度の寒冷を発する。外部との熱交換はこの部分を通じて行われる。

磁気雑音は、冷凍機の膨張機１１及び寒冷発生部１３を収容する上部真空容器１２を中心として発するが、磁気雑音は距離減衰が大きく距離の２〜３乗で減衰する。従って、寒冷発生部１３を別の手段で延長すれば、生体磁気計測等の微弱磁気計測に利用することができる。

伝熱管１５は、伝熱すべき熱輸送量が小さい場合は銅やアルミ等の熱伝導度の高い棒で形成してもよいが、磁気雑音減衰に十分な所定長の伝熱距離ｄ（伝熱管１５の長さ、１３〜１８の間隔）を確保した場合及び輸送熱量が数ワット以上の場合には、寒冷露出部１８の温度が上昇してしまわないように、内部に作動流体を封入したヒートパイプを用いる。

ヒートパイプは上部が低温、下部が高温のとき流体が気相―液相で相変換しながら上下に移動することにより熱輸送するもので、気相で下部から上部に移動する移動度が特に高いことから効率的な熱輸送が実現できる。

使用する温度領域で気相―液相が内部で混在しなければならないため、例えば５０Ｋ前後の冷凍機では、作動流体として窒素等を封入することで、効率的熱輸送が実現できる。

この際、冷却過程にある時等では温度が高すぎると液相が形成されず、効率的な熱輸送がなされないため、より沸点の高いガスを封入するか、沸点の異なるガス種を封入した複数のヒートパイプを併置してもよい。

寒冷発生部１３周囲及び伝熱管１５の周囲は、上部真空容器１２及び下部真空容器１７で密閉し真空断熱すると共に、多層熱輻射シールド箔１４で熱侵入を防止している。更に、上下真空容器を形成するＳＵＳ製管は熱伝導率が低いため、容器を通じた伝導による熱侵入を低減させる。ＳＵＳ製管の先端部は熱伝導率を低くするため肉薄とする。

以上の冷却管構造により、寒冷を遠方に伝送できるため、生体磁気計測用極低温クライオスタット等の寒冷必要部に熱接触させれば磁気雑音の混入を防ぐと共に冷媒蒸発量を低減させることができる。

従来の冷却菅に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００４−１１６９１４号公報

生体磁気計測用途のＳＱＵＩＤ、またはＳＱＵＩＤを冷却するヘリウムデュワ（ヘリウムを寒材として用いた極低温クライオスタットのことをいう。以下、同様）を冷却する場合、極低温冷凍機が発生する磁気ノイズが問題とされる。デュワのヘリウム蒸発を低減させるために前述のような冷却管が提案されているが、磁気ノイズの影響を低減するために、冷凍機の膨張機１１を磁気シールドルームの外に設置して、真空容器１７が磁気シールドルームの壁を貫通するように設置することがある。この場合に、冷却管が長尺になると、冷凍機のオンオフに伴う冷却の熱時定数が大きくなり、応答が遅くなるという問題が発生する。これは、寒冷発生部近傍で冷やされて液化した熱媒体が滴下することで徐々に下部の熱媒体が冷やされていくので、長尺になるほど立ち上がりが遅くなるためである。

本発明はこのような課題を解決しようとするもので、ヘリウム蒸発量低減及び磁気雑音発生の低減を図ることができると共に、冷却の立ち上がり特性が改善された冷却菅を提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
筒状真空容器の上端部に取り付けられた極低温冷凍機の寒冷発生部が前記真空容器内に配置され、熱媒体が封入され前記真空容器の下端にて寒冷露出部を形成する伝熱管を介して外部に露出する冷却菅において、
前記寒冷発生部に一端が接続し少なくともその他端面を介して前記熱媒体を冷却する高熱伝導性金属棒
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の冷却菅において、
前記伝熱管は前記高熱伝導性金属棒を中空部分に納めるように一端が前記寒冷発生部に接続される
ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載の冷却菅において、
前記伝熱管の一端が前記高熱伝導性金属棒の他端に接続し、他端が前記寒冷露出部を形成する
ことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷却菅において、
前記伝熱管としてヒートパイプを用いた
ことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、筒状真空容器の上端部に取り付けられた極低温冷凍機の寒冷発生部が前記真空容器内に配置され、熱媒体が封入され前記真空容器の下端にて寒冷露出部を形成する伝熱管を介して外部に露出する冷却菅において、前記寒冷発生部に一端が接続し少なくともその他端面を介して前記熱媒体を冷却する高熱伝導性金属棒を備えたことにより、立ち上がり特性が改善された冷却菅を提供することができる。

以下本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る冷却菅の一実施例で、伝熱管の内部に高熱伝導性金属を組み合わせたものを示す構成縦断面図である。なお、図３と同じ部分は同一の記号を付して、重複する説明は省略する。真空容器２１は簡略化して示しているが、図３の真空容器１２，１７からなる部分と同様である。図１では図示されていないが、図３に示されている他の要素についても同様である。図１の冷却菅が図３のそれと異なるのは、ヒートパイプからなる封止された伝熱管１５の内側の中空部分に銅やアルミブロックなどからなる棒状の高熱伝導性金属２２が設けられている点である。すなわち、高熱伝導性金属棒２２は、伝熱管１５内でその一端が寒冷発生部１３に接続し、他端が寒冷露出部１８から所定の距離だけ伝熱管１５内に入り込んだ位置にある。ここで、高熱伝導性金属棒２２は、伝熱管１５の管壁に接触しないように伝熱管１５の中心軸に沿って配設され、伝熱管１５と高熱伝導性金属棒２２の間に熱媒体が介在して冷却に寄与できるようにする。

また、前述のように高熱伝導性金属棒２２の他端は寒冷露出部１８から所定の距離までの長さとし、その部分から寒冷露出部１８の先端までは伝熱管１５のみの部分とする。これは、冷凍機をオフにした際に冷凍機から熱が高熱伝導性金属棒２２を介して流入しても、ヒートパイプからなる伝熱管１５が、流入した熱により気相−液相混在の状態を失って気相のみとなり、その熱伝達性を低下させることにより、寒冷の逆流を防ぐことができるようにするためである。

図１の冷却菅の動作を以下に説明する。冷凍機１１がオンになると寒冷発生部１３を介して高熱伝導性金属２２がまず冷やされる。高熱伝導性金属２２は下部まで素早く冷えるので、伝熱管１５内部の熱媒体が下部まで素早く冷やされる。したがって、伝熱管１５の立ち上がりが早くなり、冷却管の立ち上がり特性が改善される。結果として、冷凍機のオンオフに伴う冷却の熱時定数は小さくなる。

このような構成の冷却管によれば、寒冷発生部が伝熱管内部の高熱伝導性金属を冷却することにより、長尺な伝熱管でも熱媒体を全体的に冷やすことができるので、冷却効果の立ち上がりが早くなる。

また、冷凍機をオフにした際に、ヒートパイプからなる伝熱管１５がその熱伝達性を低下させるので、寒冷の逆流を防ぐことができる。

また、寒冷露出部１８の周辺は伝熱管１５で構成されているので、脳磁計などのように、微弱な磁気の影響を防ぐためセンサに金属を近づけたくない場合にも適している。

図２は本発明の実施の形態に係る冷却菅の第２の実施例で、伝熱管と高熱伝導性金属を接合したものを示す構成縦断面図である。なお、図１と異なる部分のみについて以下に説明する。他の部分は図１の場合と同一である。銅やアルミブロックなどからなる高熱伝導性金属棒３１は、その一端が寒冷発生部１３に接続し、他端が、図１の１５と同様だが、より短い長さのヒートパイプからなる封止された伝熱管３３の一端と接合部３２において接合する。

すなわち、高熱伝導性金属棒３１は、他端が寒冷露出部１８から所定の距離まで達する長さとし、その他端から寒冷露出部１８の先端までは伝熱管３３の部分が続く。これは、冷凍機をオフにした際に冷凍機から高熱伝導性金属棒３１を介して熱が流入しても、ヒートパイプからなる伝熱管３３が、気相−液相混在の状態を失って気相のみとなり、その熱伝達性を低下させることにより、寒冷の逆流を防ぐことができるようにするためである。

図２の冷却菅の動作を以下に説明する。
冷凍機１１がオンになると高熱伝導性金属３１が冷やされる。高熱伝導性金属３１は寒冷発生部１３を介して伝熱管３３との接合部３２まで素早く冷やされる。これに続いて伝熱管３３の熱媒体が冷やされるが、長尺冷却管の場合でも伝熱管３３は短く熱媒体の量を少なくすることができるので、冷却管の冷却の立ち上がり特性は改善される。結果として、冷凍機のオンオフに伴う冷却の熱時定数は小さくなる。

このような構成の冷却管によれば、接合部３２まで高熱伝導性金属３１を使用して冷却するので、長尺な冷却管の場合でも伝熱管３３を短くすることができる。したがって、冷却する熱媒体量が少なくなり、伝熱管３３の冷却立ち上がりが早くなる。

また、冷凍機をオフにした際に、ヒートパイプからなる伝熱管３３がその熱伝達性を低下させるので、寒冷の逆流を防ぐことができる。

また、寒冷露出部１８の周辺は伝熱管で構成されているので、脳磁計などのように、微弱な磁気の影響を防ぐためセンサに金属を近づけたくない場合にも適している。

なお、上記の各実施例で使用する温度領域で気相―液相が内部で混在しなければならないため、例えば５０Ｋ前後の冷凍機では、伝熱管で用いるヒートパイプの作動流体（熱媒体）として窒素等を封入することで、効率的熱輸送が実現できる。

また、冷却過程にある場合などで、温度が高すぎると液相が形成されず、効率的な熱輸送がなされないため、より沸点の高いガスを封入するか、沸点の異なるガス種を封入した複数のヒートパイプを併置して複数の高熱伝導性金属と組み合わせてもよい。

また、脳磁計などの生体磁気計測用極低温クライオスタットのみならず、低温を保つために冷媒を必要とするクライオスタット、例えば超伝導マグネットを用いるＭＲＩ（核磁気共鳴画像診断装置）や物性研究用のヘリウムクライオスタットにも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る冷却菅の一実施例を示す構成縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る冷却菅の第２の実施例を示す構成縦断面図である。 冷却管の従来例の基本構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１１ 極低温冷凍機
１３ 寒冷発生部
１５，３３ 伝熱管
１８ 寒冷露出部
２１ 真空容器
２２，３１ 高熱伝導性金属棒

Claims (4)

1. 筒状真空容器の上端部に取り付けられた極低温冷凍機の寒冷発生部が前記真空容器内に配置され、熱媒体が封入され前記真空容器の下端にて寒冷露出部を形成する伝熱管を介して外部に露出する冷却菅において、
   前記寒冷発生部に一端が接続し少なくともその他端面を介して前記熱媒体を冷却する高熱伝導性金属棒
   を備えたことを特徴とする冷却菅。
2. 前記伝熱管は前記高熱伝導性金属棒を中空部分に納めるように一端が前記寒冷発生部に接続される
   ことを特徴とする請求項１記載の冷却菅。
3. 前記伝熱管の一端が前記高熱伝導性金属棒の他端と接合し、他端が前記寒冷露出部を形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の冷却菅。
4. 前記伝熱管としてヒートパイプを用いた
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷却菅。

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