JP2021148407A - 極低温冷凍機および生体磁気計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温冷凍機における振動による変動磁場の影響を抑制すること。【解決手段】極低温冷凍機１１は、冷媒を冷却する冷却部２１と、冷却部２１の周りを覆う磁気遮蔽部２７Ａと、を備える。【選択図】図７

Description

本発明は、極低温冷凍機および生体磁気計測装置に関する。

従来、例えば、特許文献１および特許文献２には、極低温冷凍機において、磁気シールド部材を設けて、磁気ノイズによる影響を低減する技術が記載されている。

脳磁計や脊磁計などの生体磁気計測装置では、例えば、超電導量子干渉素子のような高感度磁気センサを用いることがあり、超電導状態を保つために冷媒として液体ヘリウムが使われる。あるいは、極低温での物性測定器においても冷媒として液体ヘリウムが使われる。液体ヘリウムは容易に気化するため、上記のような装置において計測を経済的かつ継続的に使用するには、極低温冷凍機を使ってヘリウム循環することが必要である。

ここで、極低温冷凍機では、冷却部（コールドヘッド）および冷却部を収容する保温部（クライオスタット）は一般に金属製で磁性を帯びているため、周囲空間に静磁場分布を生じる。また、極低温冷凍機であって、パルス管冷凍機では、動作時は機械的な振動を生じる。そして、磁性を帯びているものが振動すると、振動振幅に比例した磁場変動を周囲空間に生じるため、生体磁気計測装置などにおいて測定ノイズの原因になる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、振動による変動磁場の影響を抑制することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の極低温冷凍機は、冷媒を冷却する冷却部と、前記冷却部の周りを覆う磁気遮蔽部と、を備える。

本発明によれば、振動による変動磁場の影響を抑制できる。

図１は、生体磁気計測装置の一例を示す概略構成図である。 図２は、ヘリウム循環システムの一例を示す概略構成図である。 図３は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の駆動時のフローチャートである。 図４は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の駆動時の動作図である。 図５は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の停止時のフローチャートである。 図６は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の停止時の動作図である。 図７は、極低温冷凍機の要部拡大図である。 図８は、極低温冷凍機の要部拡大図である。 図９は、極低温冷凍機の要部拡大図である。

以下に添付図面を参照して、極低温冷凍機および生体磁気計測装置の実施形態を詳細に説明する。

図１は、生体磁気計測装置の一例を示す概略構成図である。

生体磁気計測装置１００は、生体情報計測装置であって、脳機能測定装置（測定装置ともいう）１０１と、情報処置装置１０２とを備えている。

脳機能測定装置１０１は、測定対象である被検者１１０の臓器である脳の脳磁図（ＭＥＧ：Magneto-encephalography）信号を測定する脳磁計である。脳機能測定装置１０１は、被検者１１０の頭部が挿入されるデュワ１を有する。デュワ１は、被検者１１０の頭部のほぼ全域を取り囲むヘルメット型のセンサ収納型デュワである。デュワ１は、液体ヘリウムを用いた極低温環境の真空断熱装置である。デュワ１は、その内部に脳磁測定用の多数の磁気センサ２が配置されている。磁気センサ２は、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）が用いられる。脳機能測定装置１０１は、磁気センサ２からの脳磁信号を収集する。脳機能測定装置１０１は、収集された生体信号を情報処置装置１０２に出力する。

情報処置装置１０２は、複数の磁気センサ２からの脳磁信号の波形を、時間軸上に表示する。脳磁信号は、脳の電気活動により生じた微小な磁場変動を表わす。

図２は、ヘリウム循環システムの一例を示す概略構成図である。

上述した脳機能測定装置１０１は、真空断熱装置であるデュワ１を極低温環境とするためのヘリウム循環システム１０を含む。ヘリウム循環システム１０は、極低温冷凍機１１と、デュワ１、蒸発ガス回収部（バッファタンク）１３と、蒸発ガス回収管１４と、保管ガス供給管１５と、循環用配管１６と、制御部１９と、を備える。

極低温冷凍機１１は、パルス管冷凍機を構成するもので、冷却部２１と、受部２２と、保温部２３と、移送管２４と、駆動系循環部２５と、を有する。

冷却部２１は、本体部２１Ａと、円筒状の第一シリンダ部２１Ｂと、円筒状の第二シリンダ部２１Ｃと、円板状の第一コールドステージ２１Ｄと、円板状の第二コールドステージ２１Ｅと、を備える。本体部２１Ａは、冷却部２１の基部であり、最上部に配置される。第一シリンダ部２１Ｂは、本体部２１Ａから下方に延びて設けられている。第二シリンダ部２１Ｃは、第一シリンダ部２１Ｂよりも下方に延びて設けられている。第一コールドステージ２１Ｄは、第一シリンダ部２１Ｂと第二シリンダ部２１Ｃとの間に設けられている。第二コールドステージ２１Ｅは、第二シリンダ部２１Ｃの延びた下端に設けられている。

受部２２は、上端が開放し、下端に底２２Ａを有する皿状に形成されている。受部２２は、冷却部２１の直下に配置される。

保温部２３は、真空断熱をしたクライオスタットであり、例えば、ステンレスまたはガラス繊維強化樹脂により筒状に形成され、上端が開放し、下端に底２３Ａを有する。保温部２３は、内部に冷却部２１が収容され冷却部２１の外周を間隔を空けて囲むように設けられる。保温部２３は、上端が冷却部２１の本体部２１Ａにより密閉される。また、受部２２は、保温部２３の内部に配置される。保温部２３は、内部の温度を保つように機能する。

移送管２４は、上端２４ａが受部２２の底２２Ａに接続され、受部２２に連通して設けられている。移送管２４は、受部２２の底２２Ａから下方に延び、保温部２３の内部を通って下端２４ｂが下方に向けて設けられている。保温部２３は、底２３Ａが移送管２４の外周を間隔を空けて囲むように移送管２４と共に下方に延びて形成されている。移送管２４は、その下端２４ｂが脳機能測定装置１０１のデュワ１に接続されている。移送管２４は、冷却部２１からデュワ１に液体冷媒を送る第一経路ともいう。

駆動系循環部２５は、コンプレッサである圧縮機２５Ａと、動作部であるバルブモータ２５Ｂと、を有する。圧縮機２５Ａは、圧縮ガスを圧縮する。圧縮ガスは、例えばヘリウムガスである。圧縮機２５Ａで圧縮された圧縮ガスは、バルブモータ２５Ｂに供給される。バルブモータ２５Ｂは、冷却部２１の本体部２１Ａに対し、圧縮ガスを間欠供給するように開閉を切り替える。駆動系循環部２５は、バルブモータ２５Ｂの切り替えにより圧縮機２５Ａと冷却部２１との間で圧縮ガスが循環される。冷却部２１は、この圧縮ガスの間欠供給により、起動し、第一コールドステージ２１Ｄおよび第二コールドステージ２１Ｅで冷熱を発生する。なお、圧縮機２５Ａは、水冷または空冷により排熱する。

この極低温冷凍機１１は、その起動時に、保温部２３の内部であって冷却部２１にガス冷媒が供給される。ガス冷媒は、例えばヘリウムガスであり、第一コールドステージ２１Ｄおよび第二コールドステージ２１Ｅで発生する冷熱により冷却されることで液化されて液体冷媒である液体ヘリウムとなり、受部２２の底２２Ａに至り滴下して纏められる。受部２２の底２２Ａに纏められた液体ヘリウムは、移送管２４を経て極低温冷凍機１１の外部に送られ、脳機能測定装置１０１のデュワ１の内部のヘリウム槽に供給される。これにより、脳機能測定装置１０１のデュワ１の液体ヘリウムが保持される。デュワ１の内部の液体ヘリウムは外部からの熱侵入によって徐々に蒸発してヘリウムガス（蒸発ガスともいう）となる。

蒸発ガス回収部１３は、デュワ１で蒸発した蒸発ガスを回収し貯えて保管するための圧力容器である。

蒸発ガス回収管１４は、デュワ１と蒸発ガス回収部１３との間を接続する配管である。蒸発ガス回収管１４は、一端１４ａがデュワ１に接続され、他端１４ｂが蒸発ガス回収部１３に接続されている。蒸発ガス回収管１４は、デュワ１から蒸発ガス回収部１３に蒸発ガスを送るため、途中にコンプレッサであるポンプ１４ｃが設けられている。また、蒸発ガス回収管１４は、蒸発ガスの送りを開閉するため、ポンプ１４ｃよりも一端１４ａ側に開閉弁１４ｄが設けられている。開閉弁１４ｄは、制御部１９により制御される。蒸発ガス回収管１４は、デュワ１から蒸発ガス回収部１３に蒸発ガスを送る第二経路ともいう。

保管ガス供給管１５は、蒸発ガス回収部１３と冷却部２１との間を接続する配管である。保管ガス供給管１５は、一端１５ａが蒸発ガス回収部１３に接続され、他端１５ｂが極低温冷凍機１１の冷却部２１に接続されている。保管ガス供給管１５は、蒸発ガス回収部１３から冷却部２１に蒸発ガス回収部１３で保管された蒸発ガス（保管ガス）を送るため、途中にポンプ１５ｃが設けられている。また、保管ガス供給管１５は、蒸発ガスの送りを開閉するため、ポンプ１５ｃよりも他端１５ｂ側に開閉弁１５ｄが設けられている。開閉弁１５ｄは、制御部１９により制御される。また、保管ガス供給管１５は、蒸発ガスの送りを開閉するため、ポンプ１５ｃよりも一端１５ａ側に開閉弁１５ｅが設けられている。開閉弁１５ｅは、制御部１９により制御される。保管ガス供給管１５は、蒸発ガス回収部１３から冷却部２１に蒸発ガスを送る第三経路ともいう。

循環用配管１６は、蒸発ガス回収管１４の途中と保管ガス供給管１５の途中とを接続する配管である。循環用配管１６は、一端１６ａが蒸発ガス回収管１４の一端１４ａとポンプ１４ｃとの間に接続され、他端１６ｂが保管ガス供給管１５の開閉弁１５ｅとポンプ１５ｃとの間に接続されている。循環用配管１６は、デュワ１から冷却部２１に直接蒸発ガスを送るバイパス経路ともいう。

制御部１９は、ヘリウム循環システム１０を制御するもので、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および記憶装置などを備えた演算装置である。制御部１９は、極低温冷凍機１１の圧縮機２５Ａと、蒸発ガス回収管１４のポンプ１４ｃおよび開閉弁１４ｄと、保管ガス供給管１５のポンプ１５ｃ、開閉弁１５ｄおよび開閉弁１５ｅと、の動作を制御する。

ここで、ヘリウム循環システム１０の動作を説明する。図３は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の駆動時のフローチャートである。図４は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の駆動時の動作図である。図５は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の停止時のフローチャートである。図６は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の停止時の動作図である。

図３に示すように、極低温冷凍機１１の駆動時において、制御部１９は、蒸発ガス回収管１４のポンプ１４ｃを停止すると共に開閉弁１４ｄを閉鎖する（ステップＳ１）。また、制御部１９は、保管ガス供給管１５のポンプ１５ｃを駆動すると共に開閉弁１５ｄおよび開閉弁１５ｅを開放する（ステップＳ２）。そして、制御部１９は、極低温冷凍機１１の冷却部２１を駆動する（ステップＳ３）。これにより、図４に示すように、ヘリウム循環システム１０は、保管ガス供給管１５を介して蒸発ガス回収部１３から冷却部２１に蒸発ガスを送ると共に、蒸発ガス回収管１４の一部および循環用配管１６を介してデュワ１から冷却部２１に蒸発ガスを送り、冷却部２１にて蒸発ガスを冷却して液体冷媒とし、デュワ１に送る。なお、ステップＳ１からＳ３の動作は同時に行ってもよい。

また、図５に示すように、極低温冷凍機１１の停止時において、制御部１９は、極低温冷凍機１１の冷却部２１を停止する（ステップＳ１１）。また、制御部１９は、保管ガス供給管１５のポンプ１５ｃを停止すると共に開閉弁１５ｄおよび開閉弁１５ｅを閉鎖する（ステップＳ１２）。また、制御部１９は、蒸発ガス回収管１４の開閉弁１４ｄを開放しポンプ１４ｃを駆動する（ステップＳ１３）。これにより、図６に示すように、ヘリウム循環システム１０は、蒸発ガス回収管１４を介してデュワ１から蒸発ガス回収部１３に蒸発ガスを送り、蒸発ガス回収部１３で回収する。なお、ステップＳ１１からＳ１３の動作は同時に行ってもよい。

本実施形態のヘリウム循環システム１０では、例えば、午後５時から翌日午前９時までの脳機能測定装置１０１を使用しない時、図３および図４に示す動作を行って、冷却部２１にて蒸発ガスを冷却して液体冷媒とし、デュワ１に送る。また、本実施形態のヘリウム循環システム１０では、例えば、午前９時から午後５時までの脳機能測定装置１０１を使用する時、図５および図６に示す動作を行って、デュワ１から蒸発ガス回収部１３に蒸発ガスを送り、蒸発ガス回収部１３で回収する。従って、本実施形態のヘリウム循環システム１０は、脳機能測定装置１０１を使用する計測時に、極低温冷凍機１１を停止させ、脳機能測定装置１０１への極低温冷凍機１１の振動による影響を防ぎ、脳機能測定装置１０１を使用せず計測しない時に、極低温冷凍機１１を駆動させ、デュワ１を極低温環境にできる。

図７から図９は、それぞれ極低温冷凍機の要部拡大図である。

図７から図９に示すように、本実施形態の極低温冷凍機１１は、駆動時に冷却部２１に圧縮した圧縮ガス冷媒を供給する動作部であるバルブモータ２５Ｂを有する。バルブモータ２５Ｂは、床や壁などの不動部に対して剛体の支持部２０を介して固定されている。バルブモータ２５Ｂは、冷却部２１との間を圧力配管（配管）２５Ｃで接続されており、冷却部２１に対し圧力配管２５Ｃ介して高圧の圧縮ガスを切り替える。圧縮ガスは、バルブモータ２５Ｂの切り替えにより冷却部２１とバルブモータ２５Ｂとの間の圧力配管２５Ｃをパルス的に往復する。これにより、極低温冷凍機１１は駆動する。圧力配管２５Ｃは、フレキシブル管を用いることができる。圧力配管２５Ｃを用いることで、冷却部２１とバルブモータ２５Ｂとの間が離隔されるため、振動の抑制効果がある。しかし、物理的な駆動部であるバルブモータ２５Ｂが冷却部２１から離隔されている状態であっても、圧力振動に起因する圧力配管２５Ｃの伸縮は発生する。この圧力配管２５Ｃの伸縮動作により、冷却部２１および保温部２３が振動し、機械的な変位に起因する磁気ノイズを発生するため、生体磁気計測装置１００において測定ノイズの原因となる。

そこで、図７に示す極低温冷凍機１１は、磁気遮蔽部２７Ａを有する。磁気遮蔽部２７Ａは、パーマロイなどの高透磁率軟磁性材料で形成されている。磁気遮蔽部２７Ａは、生体磁気計測装置１００において、測定装置である脳機能測定装置１０１が設置される磁気シールドルームの壁として、脳機能測定装置１０１の周りを覆う第一磁気遮蔽部２７Ａａを有する。また、磁気遮蔽部２７Ａは、極低温冷凍機１１の周りであって主に保温部２３の外側を覆う第二磁気遮蔽部２７Ａｂを有する。第二磁気遮蔽部２７Ａｂは、第一磁気遮蔽部２７Ａａと共に磁気シールドルームとして構成され、脳機能測定装置１０１において磁気シールドルームの外側となる部分で極低温冷凍機１１の周りを覆う。これにより、本実施形態の極低温冷凍機１１は、磁気シールドルームの中に設置された脳機能測定装置１０１と隔てられるように第二磁気遮蔽部２７Ａｂによって冷却部２１の周りを覆って設けられる。

この極低温冷凍機１１は、磁気遮蔽部２７Ａ（第二磁気遮蔽部２７Ａｂ）により覆われた周りが磁気シールドされる。これにより、極低温冷凍機１１は、振動により変動する磁場が生じても、振動による変動磁場の広がりを軽減でき、生体磁気計測装置１００の測定装置である脳機能測定装置１０１の測定ノイズの発生を抑制できる。

また、図７に示すように、本実施形態の極低温冷凍機１１は、第二磁気遮蔽部２７Ａｂと極低温冷凍機１１との間に、振動減衰部材２８Ａを有する。振動減衰部材２８Ａは、弾性変形可能に構成され、極低温冷凍機１１の冷却部２１に生じる振動を減衰して第二磁気遮蔽部２７Ａｂに伝わることを防ぐ。振動減衰部材２８Ａは、例えば、防振ゴムやダンパーなどで構成される。これにより、極低温冷凍機１１は、第二磁気遮蔽部２７Ａｂとの間を振動が伝わることを抑制できるように切り離し、第二磁気遮蔽部２７Ａｂの残留磁場に起因する磁場変動を抑制する。

また、図７に示すように、本実施形態の極低温冷凍機１１は、第二磁気遮蔽部２７Ａｂと極低温冷凍機１１との間に、振動吸収部材２９を有する。振動吸収部材２９は、例えば、ウレタン素材で構成され、極低温冷凍機１１の冷却部２１に生じる振動を吸収して第二磁気遮蔽部２７Ａｂに伝わることを防ぐ。これにより、極低温冷凍機１１は、第二磁気遮蔽部２７Ａｂに伝わる振動を抑制し、第二磁気遮蔽部２７Ａｂの残留磁場に起因する磁場変動を抑制する。

図８に示す極低温冷凍機１１は、上述した磁気遮蔽部２７Ａを有する。これにより、図８に示す極低温冷凍機１１は、図７に示す極低温冷凍機１１と同様に、振動により変動する磁場が生じても、振動による変動磁場の広がりを軽減でき、生体磁気計測装置１００の測定装置である脳機能測定装置１０１の測定ノイズの発生を抑制できる。

また、図８に示すように、本実施形態の極低温冷凍機１１は、冷却部２１と温部２３の間に、振動減衰部材２８Ｂを有する。振動減衰部材２８Ｂは、筒形の周りが蛇腹状に形成されて弾性変形可能に構成され、冷却部２１を挿通し、筒形の一端が冷却部２１側に固定され、筒形の他端が保温部２３の上端の開放を塞ぐように固定されている。また、振動減衰部材２８Ｂは、蛇腹状に限らず、弾性を有する筒形に形成されていてもよい。振動減衰部材２８Ｂは、弾性を有する樹脂、振動吸収効果のあるマグネシウム合金で構成できる。従って、振動減衰部材２８Ｂは、振動原因である圧力配管２５Ｃにより極低温冷凍機１１の冷却部２１に生じる振動を減衰して、保温部２３を介して第二磁気遮蔽部２７Ａｂに伝わることを防ぐ。これにより、極低温冷凍機１１は、第二磁気遮蔽部２７Ａｂとの間を振動が伝わることを抑制できるように切り離し、第二磁気遮蔽部２７Ａｂの残留磁場に起因する磁場変動を抑制する。

図９に示す極低温冷凍機１１は、図８に示す極低温冷凍機１１に加えることができ、保温部２３の内部において、冷却部２１の周りを覆う筒形の磁気遮蔽部２７Ｂを有する。磁気遮蔽部２７Ｂは、低温でも透磁率が高いクライオパームのような軟磁性材料で形成されている。

この極低温冷凍機１１は、磁気遮蔽部２７Ｂにより覆われた冷却部２１の周りが磁気シールドされる。これにより、極低温冷凍機１１は、振動により変動する磁場が生じても、振動による変動磁場の広がりを軽減でき、生体磁気計測装置１００の測定装置である脳機能測定装置１０１の測定ノイズの発生を抑制できる。

また、図７から図９に示す極低温冷凍機１１では、保温部２３は、非磁性材料で形成されている。非磁性材料としては、例えば、ＧＦＲＰ（Glass-Fiber-Reinforced Plastics）がある。これにより、極低温冷凍機１１は、保温部２３が磁性を帯びないため、振動しても磁場変動を周囲空間に生じないため、生体磁気計測装置１０１の測定ノイズの発生を防ぐ。

本実施形態の生体磁気計測装置１００は、上述した極低温冷凍機１１により、振動による変動磁場の影響を抑制でき、脳機能測定装置１０１の測定ノイズの発生を抑制できる。

また、本実施形態の生体磁気計測装置１００は、第二磁気遮蔽部２７Ａｂによって第一磁気遮蔽部２７Ａａが、脳機能測定装置１０１の周りを覆う第一磁気遮蔽部２７Ａａがなす磁気シールドルームの外側に配置される。これにより、生体磁気計測装置１００は、極低温冷凍機１１の振動により変動する磁場が生じても、振動による変動磁場の広がりを軽減でき、生体磁気計測装置１００の測定装置である脳機能測定装置１０１の測定ノイズの発生を抑制できる。

１１ 極低温冷凍機
２１ 冷却部
２３ 保温部
２７Ａ 磁気遮蔽部
２７Ａａ 第一磁気遮蔽部
２７Ａｂ 第二磁気遮蔽部
２７Ｂ 磁気遮蔽部
２８Ａ 振動減衰部材
２８Ｂ 振動減衰部材
２９ 振動吸収部材
１００ 生体磁気計測装置
１０１ 脳機能測定装置（測定装置）

特開２０１９−０１５４６６号公報 特開２０１８−０５９６４６号公報

Claims (8)

1. 冷媒を冷却する冷却部と、
   前記冷却部の周りを覆う磁気遮蔽部と、
   を備える、極低温冷凍機。
2. 前記冷却部を収容する保温部を備え、
   前記磁気遮蔽部は、前記保温部の周りを覆う、請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記保温部と前記磁気遮蔽部との間に介在される振動減衰部材をさらに備える、請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記保温部と前記磁気遮蔽部との間に介在される振動吸収部材をさらに備える、請求項２または３に記載の極低温冷凍機。
5. 前記冷却部を収容する保温部を備え、
   前記磁気遮蔽部は、前記保温部に内部に設けられて前記冷却部の周りを覆う、請求項１に記載の極低温冷凍機。
6. 前記冷却部と前記保温部との間に介在される振動減衰部材をさらに備える、請求項５に記載の極低温冷凍機。
7. 前記保温部は、非磁性材料で形成されている、請求項２から５のいずれか１項に記載の極低温冷凍機。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の極低温冷凍機と、
   前記極低温冷凍機から送られた冷媒により冷却される測定装置と、
   を備え、
   前記極低温冷凍機は、前記測定装置の周りを覆う磁気遮蔽部の外側に配置される、生体磁気計測装置。

Images