JP2018195771A - Cryogenic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体ヘリウムなどの寒剤を用いて超伝導機器を極低温状態に冷却するための極低温装置に係り、更に詳しくは寒剤の再凝縮手段を内蔵した極低温装置に関する。 The present invention relates to a cryogenic apparatus for cooling a superconducting device to a cryogenic state using a cryogen such as liquid helium, and more particularly to a cryogenic apparatus incorporating a cryogen recondensing means.
従来、MRI用超伝導磁石などを液体ヘリウムなどの寒剤で冷却して使用される極低温装置では、気化した寒剤を再凝縮するための小型冷凍機を内蔵するのが一般的である。このような小型冷凍機を内蔵した極低温装置としては、例えば以下の特許文献1に示すように容器と連通する開口部(ネックチューブ)に冷凍機ヘッドを嵌合した構造のものや、以下の特許文献2に示すように独立したチャンバー内に小型冷凍機を収納した構造のものが提案されている。
Conventionally, in a cryogenic apparatus that is used by cooling a superconducting magnet for MRI or the like with a cryogen such as liquid helium, it is common to incorporate a small refrigerator for recondensing the vaporized cryogen. As a cryogenic apparatus incorporating such a small refrigerator, for example, as shown in
ところで、前記特許文献1に示すような構造では小型冷凍機を取りつけるためのネックチューブが大口径となる上に、超伝導センサーが増えるとそれに接続するための導線も多数となるため、そのネックチューブやその内部に配線される導線などを介した侵入熱が大きくなる傾向がある。一方、前記特許文献2の構造ではネックチューブは小径化できるものの冷凍機を設置するスペースが別個必要となるため、装置全体が大型化する傾向がある。
By the way, in the structure as shown in
そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、装置全体の大型化を回避しつつ侵入熱を低く抑えることができる新規な極低温装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been devised to solve these problems, and an object of the present invention is to provide a novel cryogenic apparatus that can keep intrusion heat low while avoiding an increase in size of the entire apparatus. There is.
前記課題を解決するために第1の発明は、被冷却体を寒剤と共に収容する内容器と、当該内容器を収容する外容器とを備えた極低温装置であって、前記内容器から外容器を貫通するネックチューブを形成すると共に、前記ネックチューブ内に冷凍機を嵌合するように取り付け、前記ネックチューブ内の冷凍機を囲繞するように仕切カバーを設け、前記仕切カバーの内側に形成される第1空隙にガス供給口を接続すると共に、前記仕切カバーの外側に形成される第2空隙にガス排出口を形成し、前記ガス排出口と前記ガス供給口とをガス循環ラインで接続したことを特徴とする極低温装置である。 In order to solve the above-mentioned problem, a first invention is a cryogenic apparatus comprising an inner container for accommodating a cooled object together with a cryogen and an outer container for accommodating the inner container. A neck tube passing through the neck tube, and a refrigerator is fitted in the neck tube, and a partition cover is provided so as to surround the refrigerator in the neck tube, and is formed inside the partition cover. The gas supply port is connected to the first gap, the gas discharge port is formed in the second gap formed outside the partition cover, and the gas discharge port and the gas supply port are connected by a gas circulation line. This is a cryogenic device characterized by that.
このような構成によれば、冷凍機周囲の空隙が仕切カバーによって内側の第1空隙と外側の第2空隙とに区画されるため、ガス循環ラインのガスがガス供給口から内側の第1空隙に供給されて直接冷凍機で冷却されて再凝縮(液化)した後、内容器に供給される。一方、内容器で発生した気化ガスは仕切カバーの外側の第2空隙を通過してガス排出口からガス循環ラインに排気するような流れが発生する。そして、この第2空隙を流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の1つであるネックチューブを効率良く冷却できるため、装置全体の大型化を回避しつつ内容器への侵入熱を低く抑えることができる。 According to such a configuration, the space around the refrigerator is partitioned by the partition cover into the first inner space and the second outer space, so that the gas in the gas circulation line passes from the gas supply port to the first inner space. Then, it is directly cooled by a refrigerator and recondensed (liquefied), and then supplied to the inner container. On the other hand, the vaporized gas generated in the inner container flows through the second gap outside the partition cover and exhausts from the gas discharge port to the gas circulation line. And since the neck tube which is one of the path | routes of the penetration | invasion heat can be efficiently cooled by the sensible heat of the vaporization gas which flows through this 2nd space | gap, the penetration | invasion heat | fever to an inner container is suppressed low, avoiding the enlargement of the whole apparatus. be able to.
第2の発明は、被冷却体を寒剤と共に収容する内容器と、当該内容器を収容する外容器とを備えた極低温装置であって、前記内容器から外容器を貫通するネックチューブを形成すると共に、前記ネックチューブ内に冷凍機を嵌合するように取り付け、前記ネックチューブ内の冷凍機を囲繞するように仕切カバーを設けると共に、前記仕切カバーに連通穴を形成して前記仕切カバーの内側に形成される第1空隙と、前記仕切カバーの外側に形成される第2空隙とを連通し、前記仕切カバーの開口端部を、液通路を有する蓋部材で塞いだことを特徴とする極低温装置である。 The second invention is a cryogenic apparatus comprising an inner container for accommodating a body to be cooled together with a cryogen and an outer container for accommodating the inner container, and forming a neck tube penetrating the outer container from the inner container At the same time, a refrigerator is fitted in the neck tube, a partition cover is provided so as to surround the refrigerator in the neck tube, and a communication hole is formed in the partition cover to The first gap formed on the inner side and the second gap formed on the outer side of the partition cover communicate with each other, and the opening end of the partition cover is closed with a lid member having a liquid passage. It is a cryogenic device.
このような構成によれば、冷凍機周囲の空隙が仕切カバーによって内側の第1空隙と外側の第2空隙とに区画されるため、内側の第1空隙内のガスが直接冷凍機で冷却されて再凝縮(液化)した後、内容器に流れ落ちる。すると、仕切カバー内側の第1空隙内は負圧となるため、内容器で発生した気化ガスが仕切カバー外側の第2空隙からその仕切カバーに形成された連通穴を通過して第1空隙内に流れ込み、第2空隙から第1空隙に向かって一方向の連続したガスの流れが発生する。そして、この第2空隙を流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の1つであるネックチューブを効率良く冷却できるため、装置全体の大型化を回避しつつ内容器への侵入熱を低く抑えることができる。 According to such a configuration, since the gap around the refrigerator is partitioned into the first inner gap and the second outer gap by the partition cover, the gas in the inner first gap is directly cooled by the refrigerator. After recondensing (liquefaction), it flows down to the inner container. Then, since the inside of the first gap inside the partition cover has a negative pressure, the vaporized gas generated in the inner container passes through the communication hole formed in the partition cover from the second gap outside the partition cover and enters the first gap. And a continuous gas flow in one direction is generated from the second gap toward the first gap. And since the neck tube which is one of the path | routes of the penetration | invasion heat can be efficiently cooled by the sensible heat of the vaporization gas which flows through this 2nd space | gap, the penetration | invasion heat | fever to an inner container is suppressed low, avoiding the enlargement of the whole apparatus. be able to.
第3の発明は、第1または第2の発明において、前記第2空隙に、前記被冷却体に接続される導線および前記寒剤を供給する配管を配置したことを特徴とする極低温装置である。このような構成によれば、第2空隙を流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の1つであるネックチューブだけでなく、被冷却体に接続される導線および前記寒剤を供給する管も効率良く冷却することができる。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the cryogenic apparatus is characterized in that a conductive wire connected to the object to be cooled and a pipe for supplying the cryogen are disposed in the second gap. . According to such a configuration, not only the neck tube which is one of the paths of intrusion heat by the sensible heat of the vaporized gas flowing through the second gap, but also the lead wire connected to the object to be cooled and the tube supplying the cryogen. It can be cooled efficiently.
本発明によれば、第2空隙を流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の1つであるネックチューブや被冷却体に接続される導線および寒剤を供給する管などを効率良く冷却できるため、装置全体の大型化を回避しつつ内容器への侵入熱を大幅に低く抑えることができる。 According to the present invention, the sensible heat of the vaporized gas flowing through the second gap can efficiently cool the neck tube, which is one of the paths of intrusion heat, the lead wire connected to the object to be cooled, the tube supplying the cryogen, and the like. Intrusion heat into the inner container can be significantly reduced while avoiding an increase in size of the entire apparatus.
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図1は、本発明に係る極低温装置100の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの極低温装置100は、被冷却体10を寒剤11と共に収容する円筒状の内容器110と、この内容器110を真空空間20および幅射シールド130を介して収容する円筒状の外容器120との二重構造となっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a
内容器110の天板の中央には、円形の開口部111が形成されており、この開口部111にはこれより垂直上部に延びるような筒状のネックチューブ140が設けられている。このネックチューブ140の上端は外容器120の天板を貫通しており、その上端開口部から小型冷凍機150の凝縮器151がその内側に嵌合するように設けられている。
A
この小型冷凍機150は、例えばパルスチューブと呼ばれる低振動の冷凍機であり、前述したように内部に位置する凝縮器151と外部に露出した冷凍機ヘッド152とから構成されている。そして、この冷凍機ヘッド152には、複数のガス配管153を介して圧縮機154が接続されており、この圧縮機154によって冷凍機用の冷媒を圧縮循環させて冷凍サイクルを構成している。なお、現在市販されている冷凍機はヘリウム温度で1W程度の凝縮能力を有している。
The
内容器110内に収容される被冷却体10は、例えば極低温状態で動作するSQUID(超伝導量子干渉素子)などの超伝導磁気センサーであり、生体から発生する極めて微弱な地場を計測することができる。そして、この被冷却体10を冷却する寒剤11は、例えば大気圧沸点が4.2Kの液体ヘリウムなどの極低温液体が用いられる。
The object to be cooled 10 accommodated in the
図2は図1中A部を示す拡大図であり、内容器110から外容器120に延びるネックチューブ140付近の詳細な構造を示したものである。図示するようにこのネックチューブ140は、上下両端が開口した筒状となっており、内容器110の天板の開口部111と外容器120の天板間を接続するように設けられている。また、このネックチューブ140の上端側、すなわち外容器120の天板上にはこのネックチューブ140の上端開口部を囲むように断面コ字形をしたリング状のアダプター160が設けられており、このアダプター160上にドーナツ円板状の冷凍機フランジ161が取り付けられている。
FIG. 2 is an enlarged view showing a portion A in FIG. 1, and shows a detailed structure near the
そして、この冷凍機フランジ161の開口部から小型冷凍機150の凝縮器151側を挿入し、その冷凍機ヘッド152側を冷凍機フランジ161上に固定することで図示するようにその凝縮器151がネックチューブ140内に嵌合するように取り付けられている。
Then, by inserting the
また、この冷凍機フランジ161の下面側には、これより垂直下方に延びるように筒状の仕切カバー170が設けられている。この仕切カバー170は、その下端が開口していると共に、その内径が凝縮器151の外径よりも大きくなっており、凝縮器151表面との間に円環状をした所定の空隙(第1空隙S1)を隔てて囲繞するように設けられている。また、この仕切カバー170の外径はネックチューブ140の内径よりも小さくなっており、ネックチューブ140との間に円環状の空隙(第2空隙S2)が形成されている。
A
この冷凍機フランジ161には、ガス供給口162が形成されており、仕切カバー170内側の第1空隙S1と連通している。一方、この冷凍機フランジ161が取りつけられるアダプター160には、ガス排出口163が形成されており、仕切カバー170外側の第2空隙S2と連通している。そして、このガス排出口163およびガス供給口162には、図1に示すようにガス循環ラインLが接続されている。
A
このガス循環ラインLには、循環ポンプ30と、弁34を有するガスボンベ31と、弁33を有する放出管32とが備えられており、この循環ポンプ30によってガス排出口163から第2空隙S2内の気化ガスを抜き出し、これをガス供給口162から第1空隙S1内へ供給するように循環させている。そして、このガス循環の過程において適宜そのガスの一部を放出管32から放出したり、ガスボンベ31からガスを補充できるようになっている。
The gas circulation line L is provided with a
また、図2に示すように冷凍機フランジ161が取りつけられるアダプター160には、ガス排出口163の他に、液体供給口164が設けられている。この液体供給口164には図示しない液体供給管が連結されており、液体ヘリウムなどの寒剤11を内容器110内へ直接供給できるようになっている。そして、この液体供給口164の内側には、トランスファーチューブ挿入管165が接続されており、このトランスファーチューブ挿入管165は、その第2空隙S2内を下方に通過するように配置されている。
As shown in FIG. 2, the
また、この第2空隙S2内には、内容器110内に配置された超伝導磁気センサーなどの被冷却体10などから延びる複数の導線Cがこれを上方に通過するように配線されており、アダプター160と外容器120間に形成された気密構造の引出部180から外部に延びて図示しない外部機器に接続されている。
Further, in the second gap S2, a plurality of conductive wires C extending from the cooled
なお、このアダプター160や冷凍機フランジ161、小型冷凍機150は、外容器120に対してそれぞれ着脱可能となっており、組み立て時にはOリングやパッキンなどによって外気に対して機密にシールされている。また、この内容器110や外容器120、ネックチューブ140、仕切カバー170などは、ガラス繊維強化樹脂(FRP)などの低熱伝導材料で形成されており、これらを伝って侵入する熱量が低く抑えられている。
The
次に、このような構成をした本発明に係る極低温装置100の作用を説明する。図1に示すように内容器110内に配置された超伝導磁気センサーなどの被冷却体10は、液体ヘリウムなどの寒剤11で極低温状態に冷却されることによってその機能を十分に発揮することになるが、その状態における内容器110内では様々な経路からの侵入熱などによってその液体の寒剤11が常に蒸発して気化ガスとなって内容器110内に充満している。
Next, the operation of the
内容器110内の気化ガスは、図2に示すように内容器110の天板に形成された開口部111から外部に出ようとするが、このとき仕切カバー170で区画された第1空隙S1は順次供給される循環ガスによって高圧となっているため、その外側の低圧となっている第2空隙S2側に流れ、これを上昇するように通過してガス排出口163からガス循環ラインLに排出される。
As shown in FIG. 2, the vaporized gas in the
そして、このように内容器110内で発生した低温の気化ガスが第2空隙S2側を連続して流れることによって、この第2空隙S2内に配置されている導線Cやトランスファーチューブ挿入管165およびネックチューブ140がその顕熱によって効果的に冷却されるため、これらを伝導して内容器110側へ侵入する熱量を低く抑えることができる。
The low-temperature vaporized gas thus generated in the
一方、ガス排出口163からガス循環ラインLに排出されたガスは、ポンプ30によって再びガス供給口162から仕切カバー170内側の第1空隙S1内に供給されて小型冷凍機150の凝縮器151で強制的に冷却されて再凝縮(液化)し、液体となって内容器110内に落下(滴下)して寒剤11として再利用されるため、内容器110内の寒剤11が不足することはない。
On the other hand, the gas discharged from the
このように本発明に係る極低温装置100は、小型冷凍機150の凝縮器151周囲の空隙を仕切カバー170によって第1空隙S1と第2空隙S2とに区画し、内容器110で発生した気化ガスを外側の第2空隙S2を通過させて排気するようにしたため、これを流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の1つであるネックチューブ140や導線Cなどを効率良く冷却することができる。これによって、装置全体の大型化を回避しつつ内容器110への侵入熱を大幅に低く抑えることができる。
As described above, the
次に、図3は本発明に係る極低温装置100の他の実施の形態を示したものである。図示するように本実施の形態は、仕切カバー170の上端側に1つ以上の連通穴173を形成して第1空隙S1と第2空隙S2とを連通すると共に、その仕切カバー170の開口端部を、液通路172を有する漏斗状の蓋部材171で塞ぎ、さらにガス排出口163とガス供給口162を閉じたものである。
Next, FIG. 3 shows another embodiment of the
このような構成にすれば、内容器110で発生した気化ガスは、蓋部材171があるが故に仕切カバー170の内側すなわち第1空隙S1に流れ込むことはできず、そのすべてが外側の第2空隙S2側に流れ、これを上昇してその上端側の連通穴173を通過して第1空隙S1内に流れ込む。これによって、前記実施の形態と同様にこの第2空隙S2内に配置されている導線Cやトランスファーチューブ挿入管165およびネックチューブ140がその気化ガスの顕熱によって効果的に冷却されるため、これらを伝導して内容器110側へ侵入する熱量を低く抑えることができる。
With such a configuration, the vaporized gas generated in the
一方、第1空隙S1内に流れ込んだ気化ガスは、凝縮器151で強制的に冷却されて再凝縮(液化)し、液体となって蓋部材171上に滴下する。また、この気化ガスの再凝縮工程により第1空隙S1内は第2空隙S2よりも負圧状態となるため、第2空隙S2の気化ガスはスムーズに連続して第1空隙S1内に流れ込むことになる。そして、蓋部材171上に滴下した液体は、その中央部の液通路172から内容器110内に落下して寒剤11として再利用される。
On the other hand, the vaporized gas that has flowed into the first gap S <b> 1 is forcibly cooled by the
このように仕切カバー170の上端側に1つ以上の連通穴173を形成すると共に、その仕切カバー170の開口端部を蓋部材171で塞ぐように構成しても前記実施の形態のと同様に気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の1つであるネックチューブ140や導線Cなどを効率良く冷却することができる。これによって、装置全体の大型化を回避しつつ内容器110への侵入熱を大幅に低く抑えることができるだけでなく、ガス循環ラインLを廃止することも可能となって装置全体のシンプル化も達成できる。
As described above, even if one or
なお、蓋部材171に形成された液通路172は、気化ガスの侵入を防ぐべくその内部が常に液体で満たされている(塞がれている)状態を維持するためになるべく小径(細管)とすることが好ましいが、あまりに小さ過ぎると不純物の混入などによってその内部で液体が凍結し、閉塞させることがある。そのため、図示するようにこの液通路172の外側に電気ヒーター174を取り付け、その液通路172を適宜加熱することで凍結による閉塞を防ぐようにしても良い。
The
また、アダプター160に形成される液体供給口164は、運転初期における寒剤11の供給や小型冷凍機150の故障時の液体補給時のみに使用され、通常は使用しないが、この液体供給口164には内容器110側に延びるトランスファーチューブ挿入管165が接続されているため、この液体供給口164を介した侵入熱は小さくない。そこで、図4に示すようにこの液体供給口164の構造を工夫してこの部分からの侵入熱をより小さく抑えることが望ましい。
Further, the
すなわち、このトランスファーチューブ挿入管165は、外管201と内管202との二重管構造となっており、その両端は閉じてその間に真空封止203によって真空に保たれている。このトランスファーチューブ挿入管165よりL字型に曲げられた室温部分204は、アダプター160に設けられたポート205に挿入され、Oリング206、抑え207で気密に保たれ、必要な場合には外部のトランスファーチューブ208は、接続アダプター209を介してトランスファーチューブ挿入管165の内管202に挿入される。この接続アダプター209には両端にOリング210、211及び抑え212、213が設けられ、気密が保たれる。
That is, the transfer
10…被冷却体
11…寒剤
100…極低温装置
110…内容器
120…外容器
140…ネックチューブ
150…小型冷凍機
165…トランスファーチューブ挿入管
170…仕切カバー
171…蓋部材
172…液通路
173…連通穴
174…電気ヒーター
C…導線
S1…第1空隙
S2…第2空隙
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記内容器から外容器を貫通するネックチューブを形成すると共に、前記ネックチューブ内に冷凍機を嵌合するように取り付け、
前記ネックチューブ内の冷凍機を囲繞するように仕切カバーを設け、
前記仕切カバーの内側に形成される第1空隙にガス供給口を接続すると共に、前記仕切カバーの外側に形成される第2空隙にガス排出口を形成し、
前記ガス排出口と前記ガス供給口とをガス循環ラインで接続したことを特徴とする極低温装置。 A cryogenic device comprising an inner container for accommodating a body to be cooled together with a cryogen, and an outer container for accommodating the inner container,
Forming a neck tube penetrating the outer container from the inner container, and attaching the refrigerator to fit in the neck tube;
A partition cover is provided so as to surround the refrigerator in the neck tube,
A gas supply port is connected to the first gap formed inside the partition cover, and a gas discharge port is formed in the second gap formed outside the partition cover,
A cryogenic apparatus characterized in that the gas discharge port and the gas supply port are connected by a gas circulation line.
前記内容器から外容器を貫通するネックチューブを形成すると共に、前記ネックチューブ内に冷凍機を嵌合するように取り付け、
前記ネックチューブ内の冷凍機を囲繞するように仕切カバーを設けると共に、前記仕切カバーに連通穴を形成して前記仕切カバーの内側に形成される第1空隙と、前記仕切カバーの外側に形成される第2空隙とを連通し、
前記仕切カバーの開口端部を、液通路を有する蓋部材で塞いだことを特徴とする極低温装置。 A cryogenic device comprising an inner container for accommodating a body to be cooled together with a cryogen, and an outer container for accommodating the inner container,
Forming a neck tube penetrating the outer container from the inner container, and attaching the refrigerator to fit in the neck tube;
A partition cover is provided so as to surround the refrigerator in the neck tube, and a communication hole is formed in the partition cover to form a first gap formed inside the partition cover, and formed outside the partition cover. Communicating with the second gap
A cryogenic device characterized in that the opening end of the partition cover is closed with a lid member having a liquid passage.
前記第2空隙に前記被冷却体に接続される導線および前記寒剤を供給する管を配置したことを特徴とする極低温装置。 The cryogenic apparatus according to claim 1 or 2,
A cryogenic apparatus characterized in that a conductive wire connected to the object to be cooled and a pipe for supplying the cryogen are arranged in the second gap.
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US20020002830A1 (en) * | 2000-07-08 | 2002-01-10 | Bruker Analytik Gmbh | Circulating cryostat |
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