JP2019166041A - 極低温冷凍機システムおよび起振機ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】新規な極低温冷凍機システムおよび起振機ユニットを提供する。【解決手段】極低温冷凍機システム１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４と、圧縮機１２の吐出ポート１２ａをコールドヘッド１４の高圧ポート１４ａに接続する高圧ライン２４と、圧縮機１２の吸入ポート１２ｂをコールドヘッド１４の低圧ポート１４ｂに接続する低圧ライン２６と、高圧ライン２４と低圧ライン２６との間にコールドヘッド１４と並列に接続された起振部１６であって、冷媒ガスを収容する冷媒ガス室２８と、冷媒ガスの圧力振動を冷媒ガス室２８に発生させるように冷媒ガス室２８を高圧ライン２４と低圧ライン２６に交互に接続するバルブ部３０と、冷媒ガスの圧力振動に応じた振動を振動利用機器３４に機械的または電気的に伝達する振動伝達部３２と、を備える起振部１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷凍機システムおよび起振機ユニットに関する。

極低温冷凍機の主な用途の一つに超電導磁石の冷却がある。超電導磁石により作られる強い静磁場は、例えば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）に利用されている。ＭＲＩの応用であるＭＲエラストグラフィ（ＭＲＥ）が、新たな有用な画像診断法として近年注目されている。ＭＲＥでは画像取得に際し、被検体に機械的な振動を与える必要があり、そのため、ＭＲＥに用いられる加振装置が提案されている。

国際公開第２０１２／０２６５４３号

ＭＲＥ用の加振装置は、高磁場環境に適合することを要するが、そのような既存の加振装置は大がかりで複雑な設計となりがちである。ＭＲＥ撮像装置の周囲には高磁場の影響が及びうる立入制限区域が定められる。磁場の影響を避けるために、加振装置は、立入制限区域の外、例えば、ＭＲＥ撮像装置が設置される撮影室とは別の部屋に置かれる。加振装置では、音響発生装置が電気信号から音響信号を発生させ、音響信号は増幅され拡声器を介し音波信号に変換される。さらに、音波信号は空気振動に変換される。空気振動は、立入制限区域の外から中へと延びる数ｍ以上の長いホースなど非磁性材料の伝達部により、ＭＲＥ撮像装置とともに使用される振動出力部まで伝達される。振動出力部は、振動パッドなどとも称され、ＭＲＥ撮像装置で撮像される被検体に物理的に接触して、被検体に機械的な振動を与える。

このように、既存の加振装置は、振動を利用する場所の近くに設置し難く、設置できる場所が制約される。また、加振装置は大型となるので、設置スペースを広くとる必要がある。

振動の伝達距離が長くなれば、振動は減衰しうる。また、加振装置での発振から被検体での受振までに遅延が起こりうる。そうすると、所望の振動を所望のタイミングで被検体に確実に与えることが難しくなる。

複雑な加振装置は相応に製造コストが高くなる。

こうした不都合は、ＭＲＥ用の加振装置には限られず、超電導磁石またはそのほかの高磁場源の近くで振動を使用することが望まれる他の状況においても生じうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、上記の少なくとも１つの課題に対処した新規な極低温冷凍機システムおよび起振機ユニットを提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機システムは、吐出ポートと吸入ポートとを備える圧縮機と、高圧ポートと低圧ポートとを備えるコールドヘッドと、前記圧縮機の前記吐出ポートを前記コールドヘッドの前記高圧ポートに接続する高圧ラインと、前記圧縮機の前記吸入ポートを前記コールドヘッドの前記低圧ポートに接続する低圧ラインと、前記高圧ラインと前記低圧ラインとの間に前記コールドヘッドと並列に接続された起振部であって、冷媒ガスを収容する冷媒ガス室と、前記冷媒ガスの圧力振動を前記冷媒ガス室に発生させるように前記冷媒ガス室を前記高圧ラインと前記低圧ラインに交互に接続するバルブ部と、前記冷媒ガスの圧力振動に応じた振動を振動利用機器に機械的または電気的に伝達する振動伝達部と、を備える起振部と、を備える。

本発明のある態様によると、起振機ユニットは、極低温冷凍機システムに設置可能な起振機ユニットであって、前記起振機ユニットは、圧縮機からコールドヘッドに送出される冷媒ガスが流れる高圧ラインと前記コールドヘッドから前記圧縮機に回収される冷媒ガスが流れる低圧ラインとの間に前記コールドヘッドと並列に接続され、前記起振機ユニットは、前記冷媒ガスを収容する冷媒ガス室と、前記冷媒ガスの圧力振動を前記冷媒ガス室に発生させるように前記冷媒ガス室を前記高圧ラインと前記低圧ラインに交互に接続するバルブ部と、前記冷媒ガスの圧力振動に応じた振動を振動利用機器に機械的または電気的に伝達する振動伝達部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、新規な極低温冷凍機システムおよび起振機ユニットを提供することができる。

ある実施の形態に係る極低温冷凍機システムを概略的に示す図である。 ある実施の形態に係る起振部の外観を示す概略図である。 図２に示される起振部の内部を示す概略図である。 ある実施の形態に係る起振部の振動伝達部の他の一例を示す概略図である。 ある実施の形態に係る起振部の振動伝達部の他の一例を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機システム１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機システム１０は、極低温冷凍機を構成する圧縮機１２およびコールドヘッド１４と、起振部１６とを備える。

圧縮機１２は、極低温冷凍機の冷媒ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。コールドヘッド１４は、膨張機とも称され、室温部１８と、少なくとも１つの低温部２０とを有する。図示されるように、コールドヘッド１４が二段式の場合には、コールドヘッド１４は第１段と第２段にそれぞれ低温部２０を有する。コールドヘッド１４は単段式であってもよい。低温部２０は、冷却ステージとも称される。

圧縮機１２とコールドヘッド１４との間の冷媒ガスの循環がコールドヘッド１４内での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、極低温冷凍機の冷凍サイクルが構成され、低温部２０が所望の極低温に冷却される。それにより、低温部２０に熱的に結合された例えば超電導電磁石またはそのほか任意の被冷却物を目標冷却温度に冷却することができる。冷媒ガスは、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。理解のために、冷媒ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

極低温冷凍機は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。コールドヘッド１４は、極低温冷凍機のタイプに応じて異なる構成を有する。圧縮機１２は、極低温冷凍機のタイプによらず、同じ構成を用いることができる。

なお、一般に、圧縮機１２からコールドヘッド１４に供給される冷媒ガスの圧力と、コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される冷媒ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば約２〜３ＭＰａの範囲にあり、低圧は例えば約０．５〜１．５ＭＰａの範囲にある。

圧縮機１２は、吐出ポート１２ａと吸入ポート１２ｂとを有する。吐出ポート１２ａは、圧縮機１２により高圧に昇圧された冷媒ガスを圧縮機１２から送出するために圧縮機１２に設けられた冷媒ガスの出口であり、吸入ポート１２ｂは、低圧の冷媒ガスを圧縮機１２に受け入れるために圧縮機１２に設けられた冷媒ガスの入口である。

コールドヘッド１４は、高圧ポート１４ａと低圧ポート１４ｂとを有する。高圧ポート１４ａは、コールドヘッド１４の低温部２０の内部に高圧の作動ガスを受け入れるためにコールドヘッド１４の室温部１８に設けられた冷媒ガスの入口である。低圧ポート１４ｂは、コールドヘッド１４の低温部２０の内部での冷媒ガスの膨張により減圧された低圧の冷媒ガスをコールドヘッド１４から排出するためにコールドヘッド１４の室温部１８に設けられた冷媒ガスの出口である。

また、極低温冷凍機システム１０は、圧縮機１２とコールドヘッド１４との間で冷媒ガスを循環させるべくこれらを接続する配管システム２２を備える。配管システム２２は、圧縮機１２の吐出ポート１２ａをコールドヘッド１４の高圧ポート１４ａに接続する高圧ライン２４と、圧縮機１２の吸入ポート１２ｂをコールドヘッド１４の低圧ポート１４ｂに接続する低圧ライン２６とを備える。よって、高圧の冷媒ガスは、圧縮機１２から高圧ライン２４を通じてコールドヘッド１４に供給され、低圧の冷媒ガスは、コールドヘッド１４から低圧ライン２６を通じて圧縮機１２に回収される。

起振部１６は、高圧ライン２４と低圧ライン２６との間にコールドヘッド１４と並列に接続されている。起振部１６は、冷媒ガス室２８と、バルブ部３０と、振動伝達部３２とを備える。冷媒ガス室２８は、冷媒ガスを収容し、バルブ部３０は、冷媒ガス室２８を高圧ライン２４と低圧ライン２６に交互に接続するように構成され、それによりバルブ部３０は冷媒ガスの圧力振動を冷媒ガス室２８に発生させる。振動伝達部３２は、冷媒ガスの圧力振動に応じた振動を振動利用機器３４に機械的または電気的に伝達するように構成されている。

バルブ部３０は、高圧ライン２４から冷媒ガス室２８に冷媒ガスを供給するための供給バルブ３０ａと、冷媒ガス室２８から低圧ライン２６に冷媒ガスを排出するための排出バルブ３０ｂを有する。バルブ部３０は、供給バルブ３０ａと排出バルブ３０ｂを適切なタイミングで開閉することによって（例えば、交互に開閉することによって）、冷媒ガス室２８に冷媒ガスを給排し、冷媒ガスの圧力振動を発生させることができる。バルブ部３０は、望まれる周波数および振幅をもつ圧力振動を冷媒ガス室２８に発生させるように構成されている。

一例として、バルブ部３０は、供給バルブ３０ａと排出バルブ３０ｂが組み込まれた単一のロータリーバルブの形式をとる。あるいは、適用可能である場合には、バルブ部３０は、複数の個別に制御可能なバルブの形式をとってもよく、供給バルブ３０ａと排出バルブ３０ｂはそれぞれ個別に制御可能な電磁弁であってもよい。

振動伝達部３２は、振動伝達管３３または電気配線により振動利用機器３４と接続されている。冷媒ガスの圧力振動に応じた振動は、振動伝達部３２から振動伝達管３３または電気配線を通じて振動利用機器３４に機械的または電気的に入力される。振動利用機器３４は、入力される機械的振動を出力し、または入力される機械的振動を増幅して出力し、または入力される電気的振動を機械的振動に変換して出力するように構成されていてもよい。

起振部１６は、例えば、極低温冷凍機システム１０の製造業者によって製造され、利用者に提供される。しかし、振動利用機器３４は、起振部１６の一部であるとはみなされなくてもよい。例えば、起振部１６がＭＲＥ撮像装置とともに使用される場合、振動利用機器３４は、ＭＲＥ撮像装置で撮像される被検体に物理的に接触して被検体に機械的な振動を与える振動パッドであってもよい。振動パッドは、ＭＲＥ撮像装置の製造業者によって起振部１６とは別に利用者に提供されてもよい。あるいは、他の状況においては、振動利用機器３４は、起振部１６の一部を構成し、例えば極低温冷凍機システム１０の製造業者によって利用者に提供されてもよい。

起振部１６の例示的な構成については、詳しく後述する。

極低温冷凍機システム１０は、コールドヘッド１４または起振部１６のいずれかを選択して動作させるように構成されている。すなわち、極低温冷凍機システム１０は、コールドヘッド１４を動作させる間は起振部１６を停止し、起振部１６を動作させる間はコールドヘッド１４を停止するように構成されている。

そこで、配管システム２２は、高圧切替バルブ３６、低圧切替バルブ３８、高圧接続管４０、および低圧接続管４２を備える。

高圧切替バルブ３６は、高圧ライン２４上に配置され、圧縮機１２の吐出ポート１２ａをコールドヘッド１４または起振部１６のいずれか一方に切り替えて接続するように構成されている。低圧切替バルブ３８は、低圧ライン２６上に配置され、圧縮機１２の吸入ポート１２ｂをコールドヘッド１４または起振部１６のいずれか一方に切り替えて接続するように構成されている。高圧切替バルブ３６と低圧切替バルブ３８はそれぞれ、一組の開閉弁、三方弁、またはそのほか適当なバルブ構成を有してもよい。

高圧切替バルブ３６と低圧切替バルブ３８は、コールドヘッド１４または起振部１６のいずれか一方を高圧ライン２４と低圧ライン２６の両方に接続するとともに、他方を高圧ライン２４と低圧ライン２６の両方から切り離すように、同期して動作するように構成されている。高圧切替バルブ３６と低圧切替バルブ３８は、自動制御により切り替えられ、または手動で切り替えられてもよい。

高圧接続管４０は、高圧ライン２４を起振部１６に接続し、低圧接続管４２は、低圧ライン２６を起振部１６に接続する。より具体的には、高圧接続管４０は、高圧切替バルブ３６をバルブ部３０の供給バルブ３０ａに接続し、低圧接続管４２は、低圧切替バルブ３８をバルブ部３０の排出バルブ３０ｂに接続する。高圧接続管４０と低圧接続管４２は、一例として、フレキシブル管またはフレキシブルホースであり、あるいはリジッド管であってもよい。

したがって、高圧切替バルブ３６と低圧切替バルブ３８がコールドヘッド１４に切り替えられている場合には、圧縮機１２の吐出ポート１２ａから高圧ライン２４を通じてコールドヘッド１４の高圧ポート１４ａに冷媒ガスが供給され、コールドヘッド１４の低圧ポート１４ｂから低圧ライン２６を通じて圧縮機１２の吸入ポート１２ｂに冷媒ガスが回収される。こうして、極低温冷凍機システム１０は、コールドヘッド１４の冷却運転をすることができる。このとき、起振部１６は、圧縮機１２から切り離されている。

高圧切替バルブ３６と低圧切替バルブ３８が起振部１６に切り替えられている場合には、圧縮機１２の吐出ポート１２ａから高圧ライン２４、高圧接続管４０を通じて起振部１６の供給バルブ３０ａに冷媒ガスが供給され、起振部１６の排出バルブ３０ｂから低圧接続管４２、低圧ライン２６を通じて圧縮機１２の吸入ポート１２ｂに冷媒ガスが回収される。バルブ部３０の動作により冷媒ガス室２８には冷媒ガスの圧力振動が生成され、圧力振動に基づく振動が振動伝達部３２により機械的または電気的に振動利用機器３４へと出力される。こうして、極低温冷凍機システム１０は、起振部１６から所望の振動を出力することができる。このとき、コールドヘッド１４は、圧縮機１２から切り離されている。

なお、極低温冷凍機システム１０は、コールドヘッド１４と起振部１６を同時に動作させるように構成されていてもよい。この場合、配管システム２２は、高圧切替バルブ３６を低圧切替バルブ３８を備えなくてもよい。配管システム２２は、高圧切替バルブ３６に代えて、高圧ライン２４を高圧接続管４０に分岐させる高圧分岐部を備え、また、低圧切替バルブ３８に代えて、低圧ライン２６を低圧接続管４２に分岐させる低圧分岐部を備えてもよい。

また、配管システム２２は、バイパスユニット４４を備えてもよい。バイパスユニット４４は、高圧ライン２４と低圧ライン２６との間にコールドヘッド１４と並列に接続されている。バイパスユニット４４は、コールドヘッド１４を迂回して高圧ライン２４から低圧ライン２６に冷媒ガスを還流させるように高圧ライン２４を低圧ライン２６に接続する。

バイパスユニット４４は、高圧ライン２４を低圧ライン２６に接続するバイパスライン４４ａと、バイパスライン４４ａ上に配置されたバイパスバルブ４４ｂとを有する。バイパスライン４４ａは、圧縮機１２の吐出ポート１２ａと高圧切替バルブ３６との間で高圧ライン２４から分かれ、圧縮機１２の吸入ポート１２ｂと低圧切替バルブ３８との間で低圧ライン２６に合流している。バイパスバルブ４４ｂは、一例として、バイパスライン４４ａの冷媒ガス流量を制御する流量制御バルブを備えてもよい。この場合、バイパスバルブ４４ｂの開度を変化させることによって、バイパスライン４４ａの冷媒ガス流量が変わり、それにより高圧ライン２４と低圧ライン２６での冷媒ガス圧力も変わる。

バイパスユニット４４は、起振部１６を動作させる冷媒ガス圧力を低減するために使用されてもよい。上述のように、コールドヘッド１４の運転圧力はかなり高いが、起振部１６の動作にそれほどの高圧を要するとは限らない。バイパスバルブ４４ｂを開くことによって、高圧ライン２４の冷媒ガス圧力は低減される。そこで、極低温冷凍機システム１０は、コールドヘッド１４を停止させて起振部１６を動作させる場合に、バイパスユニット４４のバイパスバルブ４４ｂを適切な開度に調整することによって、起振部１６に供給される冷媒ガス圧力を調整するように構成されていてもよい。起振部１６に供給される冷媒ガス圧力が適切に低減されることにより、起振部１６は過剰な高圧に耐える必要がなくなるので、起振部１６の構造をより簡素とし軽量化することができる。

極低温冷凍機システム１０の各構成要素は、主電源４５から給電される。主電源４５は、例えば商用電源、または、商用電源に接続された電源装置であってもよい。圧縮機１２、コールドヘッド１４、および起振部１６はそれぞれ、給電配線により主電源４５に接続されている。よって、起振部１６には専用の電源を別に用意する必要はない。なお、極低温冷凍機システム１０の給電系統は、種々の既知の構成を採用可能である。

図２は、ある実施の形態に係る起振部１６の外観を示す概略図である。図３は、図２に示される起振部１６の内部を示す概略図である。図示される起振部１６は、図１に示される極低温冷凍機システム１０に適用することができる。

起振部１６は、高圧ライン２４と低圧ライン２６それぞれに取り外し可能に接続され、持ち運び可能なユニットとして構成されている。

起振部１６は、冷媒ガス室２８、バルブ部３０、および振動伝達部３２を収容する単一の起振部ハウジング４６を備える。起振部ハウジング４６は、冷媒ガス室２８に供給される冷媒ガスの圧力に耐える圧力容器として構成されている。また、起振部１６は、バルブ部３０を駆動するモータ部４８を備え、モータ部４８も起振部ハウジング４６に収容されている。モータ部４８は、一例として、小型ＡＣシンクロナスモータである。起振部１６は、モータ部４８を覆う磁気シールド５０を備えてもよく、磁気シールド５０は、モータ部４８を取り囲むように起振部ハウジング４６に取り付けられていてもよい。

起振部ハウジング４６は、冷媒ガス供給ポート５２と冷媒ガス排出ポート５４とを有する。冷媒ガス供給ポート５２は、高圧接続管４０からバルブ部３０への冷媒ガス入口として起振部ハウジング４６に設けられ、冷媒ガス排出ポート５４は、バルブ部３０から低圧接続管４２への冷媒ガス出口として起振部ハウジング４６に設けられている。一例として、冷媒ガス供給ポート５２と冷媒ガス排出ポート５４は、セルフシーリング・カップリングのような脱着可能な継手であり、高圧接続管４０と低圧接続管４２はそれぞれ冷媒ガス供給ポート５２と冷媒ガス排出ポート５４に容易に取り付け、または取り外すことができる。

バルブ部３０は、バルブステータ５６とバルブロータ５８とを備え、バルブステータ５６に対するバルブロータ５８の回転により、供給バルブ３０ａおよび排出バルブ３０ｂとして機能する。

バルブステータ５６は、起振部ハウジング４６に固定されている。バルブロータ５８は、その中心軸まわりにモータ部４８の駆動により回転するようにモータ部４８に連結されている。図３においては回転を矢印Ａ１で示す。バルブロータ５８は、その底面がバルブステータ５６の上面と面接触している。モータ部４８の回転駆動に伴いバルブロータ５８の底面はバルブステータ５６の上面に対し回転摺動する。

図３には、起振部１６における冷媒ガスの流れ方向を矢印により示すとともに、バルブ部３０の内部に形成される冷媒ガス流路を破線により概略的に示す。バルブ部３０は、バルブステータ５６に対するバルブロータ５８の回転角度を異ならせることによって、冷媒ガス室２８の高圧状態と低圧状態とを切り替えるように構成されている。高圧状態は供給バルブ３０ａの開状態にあたり、低圧状態は排出バルブ３０ｂの開状態にあたる。

バルブ部３０は、冷媒ガス室２８が高圧ライン２４と低圧ライン２６に同時に接続されないように構成されている。すなわち、冷媒ガス流れが起振部１６を通じて高圧ライン２４から低圧ライン２６に短絡することはない。

高圧状態では、高圧ライン２４から高圧接続管４０、冷媒ガス供給ポート５２、バルブ部３０の内部流路を通じて冷媒ガス室２８に冷媒ガスが導入され（矢印Ａ２）、冷媒ガス室２８の圧力は高まる。低圧状態では、冷媒ガス室２８からバルブ部３０の内部流路、冷媒ガス排出ポート５４、低圧接続管４２を通じて低圧ライン２６へと冷媒ガスは排出され（矢印Ａ３）、冷媒ガス室２８の圧力は下がる。

したがって、モータ部４８の回転によりバルブロータ５８がバルブステータ５６に対して連続的に回転することによって、冷媒ガス室２８の高圧状態と低圧状態が交互に周期的に切り替わる。そのため、冷媒ガス室２８に冷媒ガスの圧力振動が発生する。

図示される例においては、バルブ部３０のバルブロータ５８は、冷媒ガス供給ポート５２に連通し高圧の冷媒ガスが導入される高圧室６０に配置されているが、これは必須ではない。冷媒ガス排出ポート５４に連通し低圧の冷媒ガスが導入される低圧室にバルブロータ５８を配置する構成も可能である。

バルブ部３０として用いられうるロータリーバルブ形式による極低温冷凍機の冷媒ガス流路切替機構は、公知の種々の構成を採用可能であり、よって、更なる詳細説明は本書では省略する。

振動伝達部３２は、振動変換器６２と、振動出力ポート６４とを備える。振動変換器６２は、冷媒ガスの圧力振動が伝達されるように冷媒ガス室２８に連結され、冷媒ガスの圧力振動を当該圧力振動に応じた機械的振動に変換するように構成されている。振動出力ポート６４は、振動利用機器３４に伝達すべく振動変換器６２から機械的振動を出力するよう振動変換器６２に設置されている。

振動変換器６２は、冷媒ガスとは異なる作動流体を収容し、冷媒ガスの圧力振動が作動流体に伝達されるように冷媒ガス室２８に連結された作動流体室６６を備える。作動流体は、例えば空気である。その場合、作動流体の取り扱いが容易である。ただし、作動流体は、振動伝達に適するそのほかの気体または液体であってもよい。

加えて、振動変換器６２は、作動流体室６６を冷媒ガス室２８から仕切るピストン６８を備える。ピストン６８の上面はバルブステータ５６の底面と対向しており、これら両面と起振部ハウジング４６の内面により冷媒ガス室２８が画定されている。よって、ピストン６８の上面は冷媒ガス室２８から冷媒ガスの圧力を受ける。また、作動流体室６６は、ピストン６８の下面と起振部ハウジング４６の内面により画定され、ピストン６８の下面は作動流体室６６から作動流体の圧力を受ける。

ピストン６８は、作動流体室６６と冷媒ガス室２８との圧力差によって移動可能である。起振部ハウジング４６は、ピストン６８の移動を案内するようにピストン６８を摺動可能に支持する。作動流体室６６に収容される作動流体の平均圧力は例えば、冷媒ガス室２８の冷媒ガス圧力と概ね等しくなるように設定される。

したがって、冷媒ガス室２８の高圧状態では、ピストン６８はバルブ部３０から離れる方向に移動し（矢印Ａ４）、それにより作動流体室６６の圧力も高まる。冷媒ガス室の低圧状態では、ピストン６８はバルブ部３０に近づく方向に移動し（矢印Ａ５）、それにより作動流体室６６の圧力も下がる。このようにして、冷媒ガス室２８での冷媒ガスの圧力振動は、作動流体室６６の作動流体に伝達される。言い換えれば、冷媒ガスの圧力振動が作動流体の圧力振動に変換される。

ピストン６８の可動範囲を規制する規制部材６９が起振部ハウジング４６の内面に設けられていてもよい。また、ピストン６８は、冷媒ガス室２８から作動流体室６６への冷媒ガスの漏れ、および作動流体室６６から冷媒ガス室２８への作動流体の漏れを防止または最小化するシールとして機能し、または、そうした冷媒ガスまたは作動流体の漏れをシールするシール部材がピストン６８と起振部ハウジング４６との間に装着されていてもよい。

作動流体室６６は、冷媒ガスの圧力振動が作動流体に伝達されるようにピストン６８を介して冷媒ガス室２８に連結されているが、これに限られない。自身の変位により振動を伝達するピストン６８のような可動隔壁に代えて、例えば、変形により振動を伝達する弾性変形可能な柔軟膜が設けられてもよい。作動流体室６６は、冷媒ガスの圧力振動が作動流体に伝達されるようにこうした可撓性の膜部材を介して冷媒ガス室２８に連結されていてもよい。

振動出力ポート６４は、振動伝達部３２、すなわち作動流体室６６から外部に振動を取り出すための出口として起振部ハウジング４６に設けられている。一例として、図示されるように、振動出力ポート６４は、作動流体室６６の底部に設けられているが、作動流体室６６の側壁部などそのほかの場所に配置されてもよい。振動出力ポート６４は、振動伝達管３３を脱着可能とするように構成されている。振動伝達管３３は、例えばフレキシブルホースであってもよい。作動流体室６６に伝達された作動流体の圧力振動は、振動伝達管３３の内部の作動流体を介して、振動利用機器３４へとさらに伝達される。なお、振動伝達管３３の内部の作動流体は、作動流体室６６の作動流体と同種（例えば空気）であれば、取り扱いが容易であり都合がよいが、異なる作動流体であってもよい。

起振部１６から振動利用機器３４に出力される振動は、調整可能である。例えば、モータ部４８の回転速度を変更することにより、振動の周波数は直接変更され、また振動の振幅もある程度変えられる。バイパスユニット４４を通る冷媒ガス流量を変更することにより、高圧ライン２４と低圧ライン２６の圧力差が変更され、それにより振動の振幅を変えることができる。また、バルブ部３０の内部流路の配置や形状などバルブ部３０の設計を変更することによって、振動の振幅と周波数を調整することもできる。

このようにして、実施の形態に係る極低温冷凍機システム１０によれば、起振部１６により所望の振動を励起し、振動利用機器３４、例えばＭＲＥ撮像装置の振動パッドに所望の振動を提供することができる。

従来知られるＭＲＥ用加振装置と比べると、起振部１６は、小型で簡素な構成となり、したがって、設置スペースの低減、省エネルギー、製造コストなど種々の観点で有利である。この主たる理由の一つは、起振部１６が、圧縮機１２とコールドヘッド１４を有する既設の極低温冷凍機に追加されていることにある。起振部１６は、圧縮機１２を冷媒ガス源として利用できるので、従来のＭＲＥ用加振装置とは異なり、複雑な構成をもつ専用の発振源は不要である。また、既存の電源（例えば主電源４５）を使用できるので、追加の電源は不要であり、また消費電力の増加もまったくないか、ほとんどない。

超電導磁石の冷却に利用される極低温冷凍機は元来、高磁場環境に適合するように設計されている。起振部１６の主要構成要素の一つであるバルブ部３０は上述のように、既存の極低温冷凍機に利用される構成と同一または類似の設計を採用できる。そのため、バルブ部３０を高磁場環境に適合するように設計することは、とくに極低温冷凍機システム１０の製造業者にとっては、極めて容易である。起振部１６の他の構成要素にも、高磁場環境に適合させるうえで、設計上特段の困難はない。そのため、起振部１６は、圧縮機１２およびコールドヘッド１４と同じく高磁場環境に設置することができる。

よって、従来知られるＭＲＥ用加振装置とは異なり、起振部１６は、立入制限区域内においてＭＲＥ撮像装置の近傍に配置することができる。起振部１６から振動利用機器３４への振動伝達距離はかなり短くなり、振動を効率的に伝達することができる。振動の伝達損失は小さくなり、起振部１６での発振から被検体での受振までの遅延も生じないか、顕著な影響がない程度に小さくすることができる。

また、起振部１６は、高圧ライン２４と低圧ライン２６それぞれに取り外し可能に接続され、持ち運び可能なユニットとして構成されている。このようにすれば、起振部１６を極低温冷凍機に後から追加して設置することができるので、都合がよい。起振部１６は極低温冷凍機の付属品またはアクセサリとして、既設の極低温冷凍機に持ち運んで取り付けることができる。

さらに、起振部１６は、振動変換器６２と振動出力ポート６４とを有している。振動変換器６２によって冷媒ガスの圧力振動を別の媒体の振動に変換することができ、冷媒ガスの漏れなど極低温冷凍機システム１０を循環する冷媒ガスの低減が抑制される。また、振動出力ポート６４を振動利用機器３４につなぐという比較的簡単な作業で、振動利用機器３４に手軽に振動を提供できる。

振動変換器６２として作動流体室６６を利用することにより、冷媒ガスとは別の、より扱いやすい作動流体を振動利用機器３４へと振動を伝達するための媒体として使用することができる。

上述の実施の形態においては、起振部１６の稼働中はコールドヘッド１４は停止される。よって、起振部１６および振動利用機器３４の動作にコールドヘッド１４は影響を及ぼさない。また、コールドヘッド１４の稼働中は起振部１６は停止される。よって、起振部１６の動作がコールドヘッド１４の冷却性能を低下させることもない。

図４は、ある実施の形態に係る起振部１６の振動伝達部３２の他の一例を示す概略図である。既述の実施の形態と同様に、冷媒ガス室２８での冷媒ガスの圧力振動は、振動伝達部３２に伝達される。振動伝達部３２の振動変換器６２は、作動流体室６６の内部に配置された圧力変換器７０を備えてもよい。圧力変換器７０は、作動流体室６６での作動流体の圧力振動を、当該圧力振動に応じた電気的振動に変換するように構成されている。圧力変換器７０は一般に、圧力トランスミッターまたは圧力トランスデューサ−などと称されることもある。

振動出力ポート６４は、振動利用機器３４に伝達すべく振動変換器６２から電気的振動を出力するよう振動変換器６２に設置されている。圧力変換器７０は、振動出力ポート６４に電気的に接続され、振動出力ポート６４は、圧力変換器７０が作動流体の圧力振動に従って発生させる電気的振動を表す電気信号を出力する出力端子として設けられている。よって、振動出力ポート６４は、信号線７２により振動利用機器３４に接続され、電気的振動を表す電気信号は信号線７２を通じて圧力変換器７０から振動利用機器３４に出力することができる。

このようにしても、振動伝達部３２は、冷媒ガスの圧力振動に応じた振動を外部に取り出すことができる。起振部１６は、振動利用機器３４に所望の振動を提供することができる。

図５は、ある実施の形態に係る起振部１６の振動伝達部３２の他の一例を示す概略図である。上述の実施の形態と同様に、起振部１６は、冷媒ガス室２８、バルブ部３０、および振動伝達部３２を備え、これらは起振部ハウジング４６に収容されている。また、起振部１６は、高圧接続管４０が接続される冷媒ガス供給ポート５２と、低圧接続管４２が接続される冷媒ガス排出ポート５４とを有する。

振動伝達部３２は、冷媒ガスの圧力振動が伝達されるように冷媒ガス室２８の内部に配置され、冷媒ガスの圧力振動を当該圧力振動に応じた電気的振動に変換する振動変換器６２と、振動利用機器３４に伝達すべく振動変換器６２から電気的振動を出力するよう振動変換器６２に設置された振動出力ポート６４とを備えてもよい。振動変換器６２は、冷媒ガス室２８に設置され、冷媒ガスの圧力振動を電気的振動に変換する圧力変換器７０であってもよい。圧力変換器７０は、振動出力ポート６４に電気的に接続され、振動出力ポート６４は、信号線７２により振動利用機器３４に接続されてもよい。

このようにしても、振動伝達部３２は、冷媒ガスの圧力振動に応じた振動を外部に取り出すことができる。起振部１６は、振動利用機器３４に所望の振動を提供することができる。作動流体室６６は不要となり、構成が簡単である。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

１０ 極低温冷凍機システム、 １２ 圧縮機、 １２ａ 吐出ポート、 １２ｂ 吸入ポート、 １４ コールドヘッド、 １４ａ 高圧ポート、 １４ｂ 低圧ポート、 １６ 起振部、 ２４ 高圧ライン、 ２６ 低圧ライン、 ２８ 冷媒ガス室、 ３０ バルブ部、 ３２ 振動伝達部、 ３４ 振動利用機器、 ６２ 振動変換器、 ６４ 振動出力ポート、 ６６ 作動流体室、 ７０ 圧力変換器。

Claims (6)

1. 吐出ポートと吸入ポートとを備える圧縮機と、
   高圧ポートと低圧ポートとを備えるコールドヘッドと、
   前記圧縮機の前記吐出ポートを前記コールドヘッドの前記高圧ポートに接続する高圧ラインと、
   前記圧縮機の前記吸入ポートを前記コールドヘッドの前記低圧ポートに接続する低圧ラインと、
   前記高圧ラインと前記低圧ラインとの間に前記コールドヘッドと並列に接続された起振部であって、
   冷媒ガスを収容する冷媒ガス室と、
   前記冷媒ガスの圧力振動を前記冷媒ガス室に発生させるように前記冷媒ガス室を前記高圧ラインと前記低圧ラインに交互に接続するバルブ部と、
   前記冷媒ガスの圧力振動に応じた振動を振動利用機器に機械的または電気的に伝達する振動伝達部と、を備える起振部と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機システム。
2. 前記起振部は、前記高圧ラインと前記低圧ラインそれぞれに取り外し可能に接続され、持ち運び可能なユニットとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機システム。
3. 前記振動伝達部は、
   前記冷媒ガスの圧力振動が伝達されるように前記冷媒ガス室に連結されまたは前記冷媒ガス室の内部に配置され、前記冷媒ガスの圧力振動を当該圧力振動に応じた機械的振動または電気的振動に変換する振動変換器と、
   前記振動利用機器に伝達すべく前記振動変換器から前記機械的振動または前記電気的振動を出力するよう前記振動変換器に設置された振動出力ポートと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機システム。
4. 前記振動変換器は、前記冷媒ガスとは異なる作動流体を収容し、前記冷媒ガスの圧力振動が前記作動流体に伝達されるように前記冷媒ガス室に連結された作動流体室を備えることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機システム。
5. 前記振動変換器は、前記冷媒ガス室に設置され、前記冷媒ガスの圧力振動を前記電気的振動に変換する圧力変換器を備えることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機システム。
6. 極低温冷凍機システムに設置可能な起振機ユニットであって、前記起振機ユニットは、圧縮機からコールドヘッドに送出される冷媒ガスが流れる高圧ラインと前記コールドヘッドから前記圧縮機に回収される冷媒ガスが流れる低圧ラインとの間に前記コールドヘッドと並列に接続され、前記起振機ユニットは、
   前記冷媒ガスを収容する冷媒ガス室と、
   前記冷媒ガスの圧力振動を前記冷媒ガス室に発生させるように前記冷媒ガス室を前記高圧ラインと前記低圧ラインに交互に接続するバルブ部と、
   前記冷媒ガスの圧力振動に応じた振動を振動利用機器に機械的または電気的に伝達する振動伝達部と、を備えることを特徴とする起振機ユニット。

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