JP4354410B2 - Cryogenic operation method - Google Patents

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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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Description

本発明は、超伝導磁石等を冷却する極低温装置の技術に関するものである。   The present invention relates to a technique of a cryogenic apparatus for cooling a superconducting magnet or the like.

例えば、医療用機器として知られるMRI(磁気共鳴断層撮影装置)のように、超伝導磁石(超伝導マグネット)を備えた装置には、その超伝導(超電導)特性を維持するために、前記超電導磁石を絶対零度に近い超低温に保冷する極低温装置が設けられているのが一般である。   For example, in an apparatus equipped with a superconducting magnet (superconducting magnet), such as an MRI (magnetic resonance tomography apparatus) known as a medical device, in order to maintain the superconducting (superconducting) characteristics, Generally, a cryogenic device that keeps the magnet at an extremely low temperature close to absolute zero is provided.

前記極低温装置には、冷媒としての液体ヘリウム中に前記超電導磁石をはじめとする被冷却体を浸漬することにより、当該超電導磁石を冷却するようにしたものがある。   In the cryogenic device, there is one in which a superconducting magnet is cooled by immersing an object to be cooled such as the superconducting magnet in liquid helium as a refrigerant.

この種の極低温装置は、前記超電導磁石をはじめとする被冷却体を液体ヘリウム中に浸漬した状態で格納する格納容器と、この格納容器から突出するとともに当該格納容器の内外を連通するスリーブと、このスリーブに対してその先端開口を閉塞しつつ挿入された冷凍機とを備え、この冷凍機により前記格納容器及びスリーブ内で気化しているヘリウムを再凝縮するようになっている。   This type of cryogenic device includes a storage container that stores a cooled object including the superconducting magnet in a state of being immersed in liquid helium, and a sleeve that protrudes from the storage container and communicates with the inside and outside of the storage container. A refrigerating machine inserted into the sleeve while closing the opening at the front end thereof, and the refrigerating helium vaporized in the containment vessel and the sleeve is recondensed by the refrigerating machine.

そして、前記冷凍機は、比較的長時間稼動するので定期的なメンテナンスを要するが、このメンテナンスの際には前記スリーブから抜き取られることが多い。   Since the refrigerator operates for a relatively long time, regular maintenance is required. In this maintenance, the refrigerator is often extracted from the sleeve.

この抜き取り作業においては、前記スリーブ内の容積の内、冷凍機が占めていた容積分の外気(大気、水蒸気等)がスリーブ内に侵入し、この外気がスリーブ内で凝縮し固着してしまうといった不具合を生じるおそれがあった。   In this extraction operation, the outside air (atmosphere, water vapor, etc.) of the volume occupied by the refrigerator in the volume in the sleeve enters the sleeve, and the outside air condenses and adheres inside the sleeve. There was a risk of malfunction.

そこで従来は、例えば、特許文献1のように、可撓性を有するメンテナンス袋によりスリーブの先端開口を被覆するとともにこのメンテナンス袋内の空気を排出した上で、ヘリウムガスを導入して膨張させた当該メンテナンス袋内(すなわち、ヘリウムガスの雰囲気内)で冷凍機のメンテナンスを行うといった方法が提案されている。
特開平5−223379号公報(第3頁〜第5頁、図4)
Therefore, conventionally, for example, as disclosed in Patent Document 1, the opening of the sleeve is covered with a flexible maintenance bag, and the air in the maintenance bag is discharged, and then helium gas is introduced to be expanded. A method has been proposed in which the refrigerator is maintained in the maintenance bag (that is, in an atmosphere of helium gas).
Japanese Patent Laid-Open No. 5-223379 (page 3 to page 5, FIG. 4)

しかしながら、特許文献1に記載された方法では、メンテナンスの際にわざわざメンテナンス袋をスリーブに取り付けるとともに、当該メンテナンス袋から空気を吸引するための吸引ブロア等を用意する必要があり、その準備作業が面倒なものであった。   However, in the method described in Patent Document 1, it is necessary to attach the maintenance bag to the sleeve during maintenance, and to prepare a suction blower or the like for sucking air from the maintenance bag. It was something.

加えて、作業者は、グローブを介してメンテナンス袋内に手を差し入れて冷凍機のメンテナンスを行う必要があり、煩雑な作業を強いられていた。さらに、メンテナンス袋が破ける等の事態によってメンテナンス作業を中断することもあった。   In addition, it is necessary for the worker to perform maintenance of the refrigerator by inserting his hand into the maintenance bag through the glove, which is complicated. Furthermore, the maintenance work may be interrupted due to a situation such as the maintenance bag breaking.

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、スリーブ内に大気が侵入することを抑制しつつ簡単に冷凍機のメンテナンス作業を行うことができる極低温装置について、その冷凍機の交換作業に適した運転方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and relates to a cryogenic apparatus that can easily perform maintenance work of a refrigerator while suppressing the intrusion of air into a sleeve, and the operation of replacing the refrigerator The purpose is to provide a suitable driving method.

前記課題を解決するために本件出願人は、冷凍機を交換する際に、当該冷凍機よりも格納容器側の位置からスリーブの開口部側へ向かうパージガス流をスリーブ内に生成するように極低温装置を運転する方法に想到した。   In order to solve the above problems, the present applicant, when replacing a refrigerator, generates a purge gas flow in the sleeve from the position on the storage container side toward the opening side of the sleeve relative to the refrigerator. I came up with a way to operate the device.

この極低温装置の運転方法によれば、スリーブから冷凍機を抜き取る際に、当該スリーブ内を流れるパージガス流により、スリーブ内に入り込もうとする外気(大気や水蒸気)を吹き飛ばすことができるので、当該外気の侵入を確実に阻止することができる。   According to the operation method of the cryogenic apparatus, when the refrigerator is extracted from the sleeve, the outside air (atmosphere or water vapor) that tends to enter the sleeve can be blown off by the purge gas flow flowing in the sleeve. Can be surely prevented.

しかし、前記運転方法では、冷凍機を抜き取る際に前記冷凍機を停止するとともに常温のパージガスを導入するようにしているので、当該パージガスによる液体冷媒への熱侵入が発生し、この熱侵入は、前記液体へリウムが前記格納容器から喪失する直接の原因となっていた。   However, in the operation method, when the refrigerator is pulled out, the refrigerator is stopped and a purge gas at room temperature is introduced.Therefore, heat intrusion into the liquid refrigerant by the purge gas occurs. The liquid helium was a direct cause of loss from the containment vessel.

そこで、本発明は、被冷却体を液体冷媒中に浸漬した状態で格納する格納容器と、この格納容器から前記液体冷媒の液面の上方へ延びて開口するスリーブと、前記開口部を閉塞しつつスリーブ内に着脱自在に挿入されるとともに当該スリーブ内で気化している前記液体冷媒を再凝縮する冷凍機とを備えた極低温装置についての、前記冷凍機の交換作業に適した運転方法であって、前記液体冷媒が大気圧条件下における当該液体冷媒の沸点未満の過冷却温度となるように、前記液体冷媒を前記冷凍機によって冷却する過冷却工程と、前記液体冷媒が前記過冷却温度に冷却された状態で、前記スリーブに対して冷凍機よりも格納容器側の位置からパージガスを導入可能なガス流生成手段によって、前記スリーブ内に前記開口部及び液体冷媒の液面へ向かうパージガス流を生成するガス流生成工程と、前記ガス流生成工程を行っている間に前記冷凍機を交換する交換工程とを含む方法である。   In view of the above, the present invention provides a storage container that stores the object to be cooled in a state of being immersed in a liquid refrigerant, a sleeve that extends from the storage container to above the liquid level of the liquid refrigerant, and an opening that closes the opening. An operation method suitable for replacing the refrigerator with respect to a cryogenic device provided with a refrigerator that is removably inserted into the sleeve and recondenses the liquid refrigerant vaporized in the sleeve. A subcooling step of cooling the liquid refrigerant by the refrigerator so that the liquid refrigerant has a supercooling temperature below the boiling point of the liquid refrigerant under atmospheric pressure conditions, and the liquid refrigerant is the supercooling temperature. In the cooled state, the opening and the liquid refrigerant liquid level are formed in the sleeve by gas flow generation means capable of introducing purge gas from a position closer to the storage container than the refrigerator to the sleeve. A gas flow generating step of generating a purge gas flow toward a method and a replacement step of replacing the refrigerator while performing said gas flow generating process.

本発明の運転方法によれば、液体冷媒が過冷却温度に冷却された状態でパージガスの導入を開始し、その間に冷凍機を交換するようにしているので、前記パージガスの導入によって液体冷媒が蒸発する個所を、主にその液面付近のみに抑えることができ、当該液体冷媒の蒸発量を低減することができる。   According to the operation method of the present invention, the introduction of the purge gas is started in a state where the liquid refrigerant is cooled to the supercooling temperature, and the refrigerator is replaced during that time, so that the liquid refrigerant evaporates by the introduction of the purge gas. It is possible to suppress the location to be mainly limited to the vicinity of the liquid level, and to reduce the evaporation amount of the liquid refrigerant.

すなわち、本発明の運転方法では、ガス流生成手段によりパージガスが導入される際に予め液体冷媒を過冷却温度に冷却しているので、そのパージガスが液体冷媒の液面に吹き付けられても、その液面温度は比較的迅速に上昇して当該液面付近の液体冷媒は蒸発するものの、その侵入熱は当該液体冷媒の深部には伝わり難く、当該深部はしばらくの間低温状態を維持できるので、その間に冷凍機の交換を行うことによって、液体冷媒の総蒸発量を効果的に低減することができる。   That is, in the operation method of the present invention, when the purge gas is introduced by the gas flow generating means, the liquid refrigerant is cooled to the supercooling temperature in advance, so even if the purge gas is sprayed on the liquid refrigerant surface, Although the liquid surface temperature rises relatively quickly and the liquid refrigerant near the liquid surface evaporates, the intrusion heat is difficult to be transmitted to the deep part of the liquid refrigerant, and the deep part can maintain a low temperature state for a while. By replacing the refrigerator during that time, the total evaporation amount of the liquid refrigerant can be effectively reduced.

ここで、前記パージガスにより液体冷媒の液面に対する熱侵入が生じるにもかかわらず深部への熱伝達が生じ難いのは、前記パージガスを吹き付けても液体冷媒中に殆ど対流が発生しないことが大きな要因となっている。つまり、前記運転方法では、液体冷媒よりも高い温度を有するパージガスにより当該液体冷媒の液面温度は比較的速く上昇するものの、対流は殆ど生じないので、当該パージガスにより侵入した熱は深部側へ移動し難く、当該深部側の温度がすぐには上昇しないので、その間に冷凍機の交換を素早く行えば、蒸発量を効果的に低減することができる。   Here, although heat penetration to the liquid refrigerant liquid level occurs due to the purge gas, it is difficult to transfer heat to the deep part because the convection hardly occurs in the liquid refrigerant even when the purge gas is blown. It has become. That is, in the above operation method, although the liquid surface temperature of the liquid refrigerant rises relatively quickly due to the purge gas having a temperature higher than that of the liquid refrigerant, almost no convection occurs, so the heat that has penetrated by the purge gas moves to the deep side. However, since the temperature on the deep side does not rise immediately, the amount of evaporation can be effectively reduced if the refrigerator is replaced quickly during that time.

なお、前記冷凍機の「交換」とは、必ずしもそれまでスリーブに装着されていた冷凍機を別の冷凍機に入れ替える作業に限られず、スリーブから抜き取った冷凍機のメンテナンスを迅速に行って、そのメンテナンス後の冷凍機を再びスリーブに挿入する作業も含む趣旨である。   The “replacement” of the refrigerator is not necessarily limited to the operation of replacing the refrigerator mounted on the sleeve with another refrigerator, and the maintenance of the refrigerator extracted from the sleeve is quickly performed. This includes the work of inserting the refrigerator after the maintenance into the sleeve again.

前記極低温装置の運転方法では、常に過冷却運転を行うようにしてもよいが、通常運転時は、前記液体冷媒を大気圧条件下における前記液体冷媒の沸点以上の温度に維持するようにし、前記交換工程を行うのに際して前記過冷却工程を行うことがより好ましい。   In the operation method of the cryogenic device, the supercooling operation may always be performed, but during the normal operation, the liquid refrigerant is maintained at a temperature equal to or higher than the boiling point of the liquid refrigerant under atmospheric pressure conditions, More preferably, the supercooling step is performed when performing the replacement step.

このように、通常運転時には液体冷媒を大気圧条件下における沸点以上の温度で維持することにより、格納容器内で気化した冷媒の飽和蒸気圧によって当該格納容器内を大気圧以上の圧力環境として、スリーブに対する冷凍機の装着個所(気密形成個所)等から格納容器内に外気が吸引され易い圧力状況を回避する一方、冷凍機交換の際にのみ一時的に過冷却温度とすることにより前述の効果を得ることができる。   Thus, during normal operation, by maintaining the liquid refrigerant at a temperature equal to or higher than the boiling point under atmospheric pressure conditions, the inside of the containment vessel is set to a pressure environment above atmospheric pressure by the saturated vapor pressure of the refrigerant vaporized in the containment vessel. The above-mentioned effect can be achieved by avoiding the pressure situation in which outside air is easily sucked into the containment vessel from the place where the refrigerator is attached to the sleeve (airtight formation place), etc., while temporarily setting the supercooling temperature only when changing the refrigerator. Can be obtained.

このような通常運転から過冷却運転への移行は、冷凍機の冷却能力を変化させることによっても可能であるが、当該冷却能力を精度良く調整するのは容易ではない。これに対し、前記冷凍機の冷却能力を、前記液体冷媒を前記過冷却温度まで冷却可能となる能力に設定しておき、前記通常運転時には前記冷凍機を運転しながら、当該冷凍機又はスリーブ内に設けられた加熱手段による熱量を調整して前記液体冷媒の温度を調整するようにし、前記過冷却工程では前記冷凍機を運転したまま前記加熱手段を停止することにより前記液体冷媒を過冷却温度まで冷却するようにすれば、通常運転時には加熱手段による熱量、例えば電熱ヒータへの電力供給を調整することにより適正な温度調整が容易にできる一方、この状態から加熱手段を停止させるだけの簡単な操作で過冷却運転に移行することができる。   Such a transition from the normal operation to the supercooling operation can be performed by changing the cooling capacity of the refrigerator, but it is not easy to accurately adjust the cooling capacity. On the other hand, the cooling capacity of the refrigerator is set to the capacity capable of cooling the liquid refrigerant to the supercooling temperature, and during the normal operation, the refrigerator is operated while the refrigerator is being operated. The temperature of the liquid refrigerant is adjusted by adjusting the amount of heat by the heating means provided in the heating unit, and in the supercooling step, the heating means is stopped while the refrigerator is operated, so that the liquid refrigerant is cooled to a supercooling temperature. If it is cooled down to an appropriate temperature, it is easy to adjust the amount of heat by the heating means during normal operation, for example, by adjusting the power supply to the electric heater. It can shift to supercooling operation by operation.

本発明によれば、スリーブ内に大気が侵入することを抑制しつつ簡単に冷凍機のメンテナンス作業を行うことができるとともに、液体冷媒の蒸発量を低減することができる。   According to the present invention, it is possible to easily perform the maintenance work of the refrigerator while suppressing air from entering the sleeve, and to reduce the evaporation amount of the liquid refrigerant.

以下、本発明に係る冷凍機の交換作業に適した運転方法が採用される極低温装置の具体的構成について図1〜図3を参照して説明する。   Hereinafter, a specific configuration of a cryogenic apparatus in which an operation method suitable for the replacement operation of the refrigerator according to the present invention is employed will be described with reference to FIGS.

図1は、本発明の実施形態に係る極低温装置が搭載されたMRIの正面断面略図であり、図2は、図1の極低温装置の要部を拡大して示す正面断面図であり、図3は、図1の極低温装置における液体溶媒の温度を示すグラフである。   FIG. 1 is a schematic front sectional view of an MRI equipped with a cryogenic apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged front sectional view showing a main part of the cryogenic apparatus of FIG. FIG. 3 is a graph showing the temperature of the liquid solvent in the cryogenic apparatus of FIG.

図示の極低温装置1は、被冷却体2(図例では超伝導磁石2)を液体ヘリウム(液体冷媒)3内に浸漬した状態で格納する格納容器4を備え、この格納容器4は、シールド容器11内に収容され、さらにこのシールド容器11が減圧容器7内に収容されている。そして、これら超伝導磁石2及び容器4、7、11は、それぞれその軸線を水平方向へ向けたドーナツ状に形成されている。つまり、この極低温装置1を搭載したMRIにおいては、被検査物又は被検者が前記減圧容器7の中心孔7a内を通過するようになっている。また、前記減圧容器7の内部が真空室6とされ、これによりシールド容器11と外部との断熱が図られている。   The illustrated cryogenic device 1 includes a storage container 4 that stores a cooled object 2 (superconducting magnet 2 in the illustrated example) in a state of being immersed in liquid helium (liquid refrigerant) 3. The shield container 11 is accommodated in the decompression container 7. The superconducting magnet 2 and the containers 4, 7, 11 are each formed in a donut shape whose axis is directed in the horizontal direction. That is, in the MRI equipped with the cryogenic apparatus 1, an object to be inspected or a subject passes through the central hole 7 a of the decompression container 7. Further, the inside of the decompression vessel 7 is a vacuum chamber 6, whereby heat insulation between the shield vessel 11 and the outside is achieved.

前記格納容器4は、熱伝導性の低い材質によりドーナツ状に形成され、前記超伝導磁石2を浸漬した状態でその内部が完全に満たされない量の液体ヘリウム50を収容している。   The containment vessel 4 is formed in a donut shape with a material having low thermal conductivity, and contains an amount of liquid helium 50 that is not completely filled with the superconducting magnet 2 immersed therein.

前記格納容器4の上部にはスリーブ5が形成され、このスリーブ5内に冷凍機9が着脱可能に挿入される。この冷凍機9は、後に詳述するように前記スリーブ5内で気化している液体ヘリウム(すなわち、ヘリウムガス)を再凝縮するものであって、図例では2段式の冷凍機となっている。   A sleeve 5 is formed in the upper part of the storage container 4, and a refrigerator 9 is detachably inserted into the sleeve 5. The refrigerator 9 recondenses liquid helium (that is, helium gas) vaporized in the sleeve 5 as will be described in detail later. In the illustrated example, the refrigerator 9 is a two-stage refrigerator. Yes.

前記スリーブ5は、熱伝導性の低い材質により形成された管状の部材である。前記スリーブ5は、前記格納容器4から上方へ延び、その途中部が前記シールド容器11及び減圧容器7を貫通するとともに、その開口部8により前記格納容器4内を外気に開放し得るようになっている。   The sleeve 5 is a tubular member made of a material having low thermal conductivity. The sleeve 5 extends upward from the storage container 4, and a middle part thereof penetrates the shield container 11 and the decompression container 7, and the opening 8 can open the inside of the storage container 4 to the outside air. ing.

具体的に、スリーブ5は、連結管14、冷却管15及び、ベローズ管16が、前記格納容器4から順に、それぞれ同心に連結された構成を有している。   Specifically, the sleeve 5 has a configuration in which the connecting pipe 14, the cooling pipe 15, and the bellows pipe 16 are concentrically connected in order from the storage container 4.

前記連結管14は、その下端部が前記格納容器4に連結された管であり、その上端部が先広がりの肩部14aとされ、この肩部14aを介して前記冷却管15に連結されている。   The connecting pipe 14 is a pipe having a lower end portion connected to the storage container 4, and an upper end portion of the connecting pipe 14 is a shoulder portion 14 a that is widened, and is connected to the cooling pipe 15 through the shoulder portion 14 a. Yes.

前記冷却管15は、径方向の内側及び外側へ膨出するフランジ部15aをその上端部に有し、このフランジ部15aは、銅の編組線等からなる熱伝導体18により前記シールド容器11に対して熱的に接続されている。また、前記フランジ部15aの外周縁部上には、前記ベローズ管16が立設されている。   The cooling pipe 15 has a flange portion 15a bulging inward and outward in the radial direction at its upper end, and this flange portion 15a is attached to the shield container 11 by a heat conductor 18 made of a copper braided wire or the like. It is connected thermally. The bellows pipe 16 is erected on the outer peripheral edge of the flange portion 15a.

前記ベローズ管16は、その上下方向の変形を抑制すべく可撓性を有しており、径方向の外側へ膨出するフランジ部16aをその上端部に有している。また、前記ベローズ管16の途中部は、前記減圧容器7に対して気密状態を形成しつつ固着されている。   The bellows pipe 16 is flexible so as to suppress deformation in the vertical direction thereof, and has a flange portion 16a bulging outward in the radial direction at the upper end portion. The middle part of the bellows tube 16 is fixed to the decompression vessel 7 while forming an airtight state.

さらに、このスリーブ5については、当該スリーブ5内にパージガス(この実施の形態ではヘリウムガス)を導入するガス流生成手段10が設けられている。   Further, the sleeve 5 is provided with a gas flow generating means 10 for introducing a purge gas (helium gas in this embodiment) into the sleeve 5.

このガス流生成手段10は、前記スリーブ5内にヘリウムガスを導入するためのガス導入管19と、このガス導入管19に対して図外のガス供給源からのヘリウムガスの供給及び停止を切り換えるバルブ20とを備えている。   The gas flow generation means 10 switches a gas introduction pipe 19 for introducing helium gas into the sleeve 5 and the supply and stop of helium gas from a gas supply source (not shown) to the gas introduction pipe 19. And a valve 20.

前記ガス導入管19は、その一方の端部が冷却管15の下部側面に連結されている一方、その他方の端部が前記バルブ20を介して図外のガス供給源に連結されている。また、前記ガス導入管19の途中部は、前記減圧容器7との間で気密状態を形成しつつ当該減圧容器7及び前記シールド容器11を貫通している。   The gas introduction pipe 19 has one end connected to the lower side surface of the cooling pipe 15 and the other end connected to a gas supply source (not shown) via the valve 20. Further, a middle portion of the gas introduction pipe 19 penetrates the decompression container 7 and the shield container 11 while forming an airtight state with the decompression container 7.

つまり、前記ガス導入管19は、前記冷却管15内に側方からヘリウムガスを導入するようになっており、当該冷却管15内に導入されたヘリウムガスは、対向する側壁に衝突して分流し、図2の矢印Y1に示すように、前記液体ヘリウム50の液面に吹き付けられるパージガス流と、矢印Y2に示すように、スリーブ5の開口部8側へ向かうパージガス流とを構成する。   That is, the gas introduction pipe 19 introduces helium gas into the cooling pipe 15 from the side, and the helium gas introduced into the cooling pipe 15 collides with the opposite side wall and is separated. As shown by an arrow Y1 in FIG. 2, a purge gas flow sprayed onto the liquid surface of the liquid helium 50 and a purge gas flow toward the opening 8 side of the sleeve 5 as shown by an arrow Y2 are constituted.

一方、前記冷凍機9は、略棒状の冷凍機本体21と、この冷凍機本体21に取り付けられた蓋体22とを備え、この蓋体22がOリング23を介して前記スリーブ5内に気密的に嵌入されるとともに、ボルト24によって前記フランジ16aに対して着脱自在とされていることにより、前記冷凍機本体21がスリーブ5内に着脱可能に挿入され得るようになっている。   On the other hand, the refrigerator 9 includes a substantially rod-shaped refrigerator main body 21 and a lid body 22 attached to the refrigerator main body 21, and the lid body 22 is hermetically sealed in the sleeve 5 via an O-ring 23. Thus, the refrigerator main body 21 can be detachably inserted into the sleeve 5 by being detachably attached to the flange 16a by a bolt 24.

前記冷凍機本体21は、ギフォードマクマホン(GM)方式を利用した二段式の冷凍機である。   The refrigerator main body 21 is a two-stage refrigerator using a Gifford McMahon (GM) system.

つまり、前記冷凍機本体21は、前記スリーブ5内に挿入された状態で、前記ガス導入管19の上方に配置される二段目冷却ステージ25と、前記シールド容器11に当接する一段目冷却ステージ26とを一体に有している。   That is, the refrigerator main body 21 is inserted into the sleeve 5, the second-stage cooling stage 25 disposed above the gas introduction pipe 19, and the first-stage cooling stage in contact with the shield container 11. 26 in an integrated manner.

前記二段目冷却ステージ25は、格納容器4内の液体ヘリウム50を後述する過冷却温度TP(図3参照)に冷却し得る冷却能力に設定されており、その先端部に設けられたヒータ27による熱量を調整することにより所望の冷却能力を発揮し得るようになっている。   The second cooling stage 25 is set to a cooling capacity capable of cooling the liquid helium 50 in the containment vessel 4 to a supercooling temperature TP (see FIG. 3), which will be described later, and a heater 27 provided at the tip thereof. The desired cooling capacity can be exhibited by adjusting the amount of heat.

前記一段目冷却ステージ26は、前記二段目冷却ステージ25よりも高い温度に設定されており、前記格納容器4に対する輻射熱を遮蔽し得る温度にシールド容器11を冷却するようになっている。   The first-stage cooling stage 26 is set to a temperature higher than that of the second-stage cooling stage 25, and the shield container 11 is cooled to a temperature that can shield the radiant heat to the storage container 4.

前記蓋体22は、前記スリーブ5に嵌入された状態で当該スリーブ5内に連通する排出管28と、この排出管28を介してガスをスリーブ5の外側にのみ導出可能な逆止弁29とを備え、大気圧と前記スリーブ5の内圧との差圧が逆止弁29の動作圧以上になると格納容器4内のガスが前記逆止弁29を介して排出されるようになっている。   The cover body 22 includes a discharge pipe 28 communicating with the sleeve 5 in a state of being fitted into the sleeve 5, and a check valve 29 capable of deriving gas only outside the sleeve 5 through the discharge pipe 28. When the differential pressure between the atmospheric pressure and the internal pressure of the sleeve 5 is equal to or higher than the operating pressure of the check valve 29, the gas in the storage container 4 is discharged through the check valve 29.

なお、図示の極低温装置1では、前記スリーブ5とは別に安全手段13が設けられている。この安全手段13は、前記真空容器6との間で気密状態を形成しつつ当該真空容器6及びシールド容器11を貫通する安全排出管30と、この安全排出管30の先端部に設けられた破裂弁31と、前記安全排出管30内に配設された複数の遮蔽板32とを備えている。   In the illustrated cryogenic apparatus 1, safety means 13 is provided separately from the sleeve 5. The safety means 13 includes a safety discharge pipe 30 that penetrates the vacuum container 6 and the shield container 11 while forming an airtight state with the vacuum container 6, and a rupture provided at the tip of the safety discharge pipe 30. A valve 31 and a plurality of shielding plates 32 disposed in the safety discharge pipe 30 are provided.

前記安全手段13によれば、前記真空容器6の真空度が劣化する等の何らかの原因で格納容器4への熱侵入量が増加して格納容器4内の圧力が過度に増加したときに、当該圧力に応じて前記破裂弁31が破壊され前記安全排出管30を介して格納容器4内のヘリウムガスが排出されるので、前記過度の圧力による格納容器4の破損を抑制することができる。また、前記各遮蔽板32は、前記安全排出管30の軸線に沿って並んで配置されているので、前記破裂弁31側からの輻射熱が格納容器4へ侵入するのを抑制することができる。   According to the safety means 13, when the amount of heat intrusion into the storage container 4 increases due to some cause such as deterioration of the vacuum degree of the vacuum container 6 and the pressure in the storage container 4 excessively increases, Since the rupture valve 31 is broken according to the pressure and the helium gas in the storage container 4 is discharged through the safety discharge pipe 30, damage to the storage container 4 due to the excessive pressure can be suppressed. Moreover, since each said shielding board 32 is arrange | positioned along with the axis line of the said safety discharge pipe 30, it can suppress that the radiant heat from the said rupture valve 31 side penetrate | invades into the storage container 4. FIG.

さらに、前記極低温装置1は、前記格納容器4内の圧力(すなわち、液体ヘリウム50の蒸気圧)を検出可能な図外の圧力センサを備えており、この圧力センサの検出結果に基づいて当該格納容器4内の液体ヘリウム50の温度を算出し、この算出された温度に基づいて前記ヒータ27の熱量を調整して前記液体ヘリウム50の温度を所望の温度に保つことが可能とされている。   Furthermore, the cryogenic apparatus 1 includes a pressure sensor (not shown) that can detect the pressure in the containment vessel 4 (that is, the vapor pressure of the liquid helium 50), and based on the detection result of the pressure sensor, The temperature of the liquid helium 50 in the storage container 4 is calculated, and the amount of heat of the heater 27 is adjusted based on the calculated temperature, so that the temperature of the liquid helium 50 can be maintained at a desired temperature. .

また、前記減圧容器7は、図外の吸引源によって、その内部(真空室6)を減圧することが可能とされている。   The decompression container 7 can be decompressed inside (vacuum chamber 6) by a suction source (not shown).

以下、前記極低温装置1の運転方法について、図3に示す通常運転時間T1、過冷却時間T2、昇圧時間T3及び交換時間T4に分けて説明する。   Hereinafter, the operation method of the cryogenic apparatus 1 will be described by dividing it into a normal operation time T1, a supercooling time T2, a boosting time T3 and a replacement time T4 shown in FIG.

1)通常運転時間T1について
前記冷凍機9において、そのヒータ27の熱量を調整して液体ヘリウム50の温度を4.2Kに維持する。この温度は、大気圧条件下における当該液体ヘリウム50の沸点である。したがって、この通常運転時間T1内においては、前記格納容器4内で気化している液体ヘリウム50による圧力が大気圧となる。このように、通常運転時には格納容器4内が負圧になるのを避けて当該格納容器4の内部と外部との間の圧力差をなくすことにより、前記スリーブ5と冷凍機9との間で気密状態を形成している個所(前記Oリング23)から外気を吸引してしまうといった事態を抑制することができる。
1) Normal operation time T1 In the refrigerator 9, the amount of heat of the heater 27 is adjusted to maintain the temperature of the liquid helium 50 at 4.2K. This temperature is the boiling point of the liquid helium 50 under atmospheric pressure conditions. Therefore, in this normal operation time T1, the pressure by the liquid helium 50 vaporized in the storage container 4 becomes atmospheric pressure. In this way, during normal operation, avoiding the negative pressure inside the storage container 4 and eliminating the pressure difference between the inside and the outside of the storage container 4, the sleeve 5 and the refrigerator 9 are connected. It is possible to suppress a situation in which outside air is sucked from a portion (the O-ring 23) forming an airtight state.

2)過冷却時間T2
前記冷凍機9を交換するのに先立って、その運転は続けながら、まず、ヒータ27を切ることにより、液体ヘリウム50の温度が、4.2Kからさらに大気圧条件下における液体ヘリウム50の沸点よりも低い過冷却目標温度TPに達するまで過冷却する(過冷却工程)。
2) Supercooling time T2
Prior to replacing the refrigerator 9, the heater 27 is turned off while continuing its operation, so that the temperature of the liquid helium 50 is changed from the boiling point of the liquid helium 50 under atmospheric pressure conditions from 4.2K. Until it reaches a lower supercooling target temperature TP (supercooling step).

この過冷却工程では、液体ヘリウム50をその液面3a側から冷却するので、当該液体ヘリウム50中に対流が生じることによって前記冷凍機9による熱が液面3aから深部側へ移動して当該液体ヘリウム50を効果的に冷却することができる。   In this supercooling step, the liquid helium 50 is cooled from the liquid surface 3a side, so that convection occurs in the liquid helium 50, so that the heat from the refrigerator 9 moves from the liquid surface 3a to the deep side and the liquid helium 50 is cooled. Helium 50 can be effectively cooled.

3)昇圧時間T3
前記過冷却運転の進行により、液体ヘリウム50の温度は降下していくが、その温度は、前記圧力センサ(図示せず)の検出圧力により算出される。この液体ヘリウム50の温度を監視しておき、当該温度が前記過冷却温度TPに達した時点で、前記冷凍機9を停止するとともに、前記ガス流生成手段10によりスリーブ5内にヘリウムガス流を生成する(ガス流生成工程)。
3) Boosting time T3
As the supercooling operation proceeds, the temperature of the liquid helium 50 decreases, and the temperature is calculated by the detected pressure of the pressure sensor (not shown). The temperature of the liquid helium 50 is monitored, and when the temperature reaches the supercooling temperature TP, the refrigerator 9 is stopped and the gas flow generating means 10 causes the helium gas flow to flow into the sleeve 5. Generate (gas flow generation step).

このガス流生成工程では、図2の矢印Y1に示すように、前記液体ヘリウム50の液面3aに向かうヘリウムガス流が導入される。このヘリウムガス流の導入により、急速に圧力が上昇するとともに前記過冷却温度TPに冷却された液体ヘリウム50の液面温度L1(図3では一点鎖線で示す)は比較的速く上昇するが、当該液体ヘリウム50の深部温度L2(図3では破線で示す)はすぐには上昇しない。   In this gas flow generation step, a helium gas flow toward the liquid surface 3a of the liquid helium 50 is introduced as indicated by an arrow Y1 in FIG. With the introduction of this helium gas flow, the pressure rapidly increases and the liquid surface temperature L1 (shown by a one-dot chain line in FIG. 3) of the liquid helium 50 cooled to the supercooling temperature TP rises relatively quickly. The deep temperature L2 of liquid helium 50 (indicated by a broken line in FIG. 3) does not rise immediately.

4)交換時間T4
液体ヘリウム50の液面温度が4.2Kに到達し、格納容器4内の圧力が大気圧に到達したことが前記圧力センサ(図示せず)により検出されると、冷凍機9の交換作業を行う(交換工程)。この交換工程中においても前記ガス流生成手段10によるヘリウムガスの導入は続行する。これにより、スリーブ5内には、開口部8へ向かうヘリウムガス流(矢印Y2参照)が引き続き生成されているので、前記交換工程時に前記開口部8から当該スリーブ5内へ外気が進入するのを抑制することができる。
4) Exchange time T4
When the liquid surface temperature of the liquid helium 50 reaches 4.2K and the pressure sensor (not shown) detects that the pressure in the storage container 4 has reached atmospheric pressure, the operation of replacing the refrigerator 9 is performed. Perform (exchange process). Even during this exchange process, the introduction of helium gas by the gas flow generating means 10 continues. As a result, a helium gas flow toward the opening 8 (see arrow Y2) is continuously generated in the sleeve 5, so that outside air can enter the sleeve 5 from the opening 8 during the replacement process. Can be suppressed.

すなわち、この運転方法では、前記ヘリウムガスが導入される際に予め液体ヘリウム50を過冷却温度TPに冷却しているので、ヘリウムガスが液体ヘリウム50の液面3aに吹き付けられても、その液面温度L1が上昇して当該液面3a付近の液体ヘリウム50は蒸発するものの、当該液体ヘリウム50の深部はしばらくの間低温状態を維持できる。このことは、図4に示す実験結果からも明らかである。   That is, in this operation method, when the helium gas is introduced, the liquid helium 50 is cooled to the supercooling temperature TP in advance, so that even if helium gas is sprayed onto the liquid surface 3a of the liquid helium 50, Although the surface temperature L1 rises and the liquid helium 50 in the vicinity of the liquid surface 3a evaporates, the deep part of the liquid helium 50 can maintain a low temperature for a while. This is clear from the experimental results shown in FIG.

図4は、液体ヘリウム50の液面3aの温度を4.2Kまで上昇させた場合における、液体ヘリウム50の深部の温度を示すグラフである。この図において、実線L3は、前記ガス流生成手段10によるヘリウムガスの吹き付けにより液体ヘリウム50の液面3aの温度を上昇させたもの、一点鎖線L4は、ヘリウムガスの吹き付けを行わず、スリーブ5内を積極的には加圧しなかったとき(以下、非加圧時と称す)のものをそれぞれ示している。   FIG. 4 is a graph showing the temperature of the deep portion of the liquid helium 50 when the temperature of the liquid surface 3a of the liquid helium 50 is increased to 4.2K. In this figure, a solid line L3 is obtained by increasing the temperature of the liquid surface 3a of the liquid helium 50 by blowing the helium gas by the gas flow generating means 10, and a one-dot chain line L4 does not blow the helium gas, and the sleeve 5 Each is shown when the inside is not positively pressurized (hereinafter referred to as non-pressurized).

ヘリウムガスの吹き付け時では、液体ヘリウム50の液面3aの温度を4.2Kまで上昇させるまでに、ヘリウムガスの温度に伴う熱伝達が深さ約3cmの範囲にしか及んでいないのに対し、非加圧時では、液体ヘリウム50の液面3aが4.2Kまで上昇する間に、外気の温度に伴う熱伝達が深さ約16cmの範囲まで及んでいる。したがって、非加圧時においては、液体ヘリウム50の温度が、その液面3aだけでなく深部についても4.2Kに達し易く、液体ヘリウム50がその深部からも蒸発するのに対し、ヘリウムガス吹き付け時においては、比較的長時間にわたりその深部の温度を4.2K未満に維持することができる。   When the helium gas is sprayed, the heat transfer accompanying the temperature of the helium gas reaches only about 3 cm in depth until the temperature of the liquid surface 3a of the liquid helium 50 is increased to 4.2K. At the time of non-pressurization, while the liquid level 3a of the liquid helium 50 rises to 4.2K, heat transfer accompanying the temperature of the outside air reaches a range of about 16 cm in depth. Therefore, at the time of non-pressurization, the temperature of the liquid helium 50 easily reaches 4.2K not only at the liquid level 3a but also at the deep part, and the liquid helium 50 evaporates from the deep part, whereas helium gas is blown. Sometimes, the temperature of the deep part can be maintained below 4.2K for a relatively long time.

ここで、非加圧時には深部への熱伝達が生じる一方、ヘリウムガスの吹き付け時には深部への熱伝達が殆ど生じないのは、液体ヘリウム50の液面3aが4.2Kに達するための時間が大きな要因となっている。つまり、非加圧時には液面3aの温度が4.2Kまで上昇するのに比較的時間を要するので、この時間の間に徐々に液体ヘリウム50中で熱伝達が生じて侵入した熱が深部まで伝わるのに対し、ヘリウムガスの吹き付け時には液面3aの温度が4.2Kまで比較的速く上昇するものの液体ヘリウム50中での熱伝達が殆ど生じないので、当該ヘリウムガスにより侵入した熱は深部側へ伝わり難く、当該深部側の温度がすぐには上昇しない。   Here, heat transfer to the deep part occurs when no pressure is applied, while heat transfer to the deep part hardly occurs when helium gas is blown, because the time required for the liquid level 3a of the liquid helium 50 to reach 4.2K It is a big factor. In other words, since it takes a relatively long time for the temperature of the liquid surface 3a to rise to 4.2 K at the time of non-pressurization, heat transfer is gradually generated in the liquid helium 50 during this time, and the intruded heat reaches the deep part. On the other hand, when the helium gas is blown, the temperature of the liquid surface 3a rises relatively fast up to 4.2K, but almost no heat transfer occurs in the liquid helium 50. The temperature on the deep side does not rise immediately.

なお、前記交換工程では、必ずしもそれまでスリーブ5に装着されていた冷凍機9を別の冷凍機に入れ替える作業だけでなく、スリーブ5から抜き取った冷凍機9のメンテナンスを迅速に行って、そのメンテナンス後の冷凍機9を再びスリーブ5に挿入する作業を行うこともできる。そして、前記交換工程を終えた後には、上述した通常運転時間T1の条件で再び稼動することになる。   In the replacement step, not only the operation of replacing the refrigerator 9 that has been mounted on the sleeve 5 with another refrigerator, but also the maintenance of the refrigerator 9 removed from the sleeve 5 is quickly performed, and the maintenance is performed. The operation of inserting the later refrigerator 9 into the sleeve 5 again can be performed. And after finishing the said replacement | exchange process, it will operate | move again on the conditions of the normal operation time T1 mentioned above.

以上示した運転方法では、液体ヘリウム50の温度が過冷却温度TPに冷却された状態で前記ガス流生成工程を行うことができるので、当該交換工程中の液体ヘリウム50の蒸発個所を主に液面3aのみに抑えることができ、前記交換工程を素早く行うことにより当該交換工程の間における液体ヘリウム50の蒸発量を効果的に低減することができる。   In the operation method described above, the gas flow generation step can be performed in a state where the temperature of the liquid helium 50 is cooled to the supercooling temperature TP. The surface 3a can be suppressed to only the surface 3a, and the amount of evaporation of the liquid helium 50 during the replacement process can be effectively reduced by performing the replacement process quickly.

なお、前記実施形態においては、通常運転時間T1において液体ヘリウム50を4.2Kに維持し、過冷却時間T2において4.2K未満の温度に冷却しているが、これに限定されることはなく、例えば、図5に示すように、通常運転時間T1において、予め液体ヘリウム50を前記過冷却温度TPで維持しておく、すなわち、通常運転時間T1の間常に前記過冷却工程を行うこともできる。   In the above embodiment, the liquid helium 50 is maintained at 4.2 K during the normal operation time T1 and is cooled to a temperature of less than 4.2 K during the supercooling time T2. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 5, the liquid helium 50 is maintained at the supercooling temperature TP in advance during the normal operation time T1, that is, the supercooling process can be performed constantly during the normal operation time T1. .

この実施形態においても、前記実施形態と同様に冷凍機9の昇圧時間T3時において、液面温度L5が比較的速く上昇するものの深部温度L6を4.2K未満の温度で維持することができるので、液体ヘリウム50の蒸発量を効果的に低減することができる。   In this embodiment as well, at the time of pressurization time T3 of the refrigerator 9, the liquid surface temperature L5 rises relatively quickly, but the deep temperature L6 can be maintained at a temperature lower than 4.2K. The amount of evaporation of the liquid helium 50 can be effectively reduced.

さらに、この実施形態によれば、冷凍機9の交換工程の前に、改めて前記過冷却工程を実行することが不要となるので、前記交換工程を実行するまでの時間を短縮する(すなわち、前記過冷却時間T2を別途行うことを不要とする)ことができ、メンテナンスの作業性を向上することができる。   Further, according to this embodiment, it is not necessary to perform the supercooling process again before the replacement process of the refrigerator 9, and thus the time until the replacement process is performed is shortened (that is, the It is unnecessary to separately perform the supercooling time T2), and the maintenance workability can be improved.

なお、前記実施形態では、冷凍機9の二段目冷却ステージ25に設けられたヒータ27により、当該二段目冷却ステージ25の冷却能力を調整し、間接的に格納容器4内の圧力(ヘリウム50の温度)を調整するようにしているが、このヒータ27に代えて又は加えて、図2に示すように、液体冷媒3中(格納容器4内)に設けられたヒータ33(図2参照)による熱量を調整することによって、ヘリウム50に付与する熱量を調整して、格納容器4内の圧力を調整することもできる。   In the above-described embodiment, the cooling capacity of the second stage cooling stage 25 is adjusted by the heater 27 provided in the second stage cooling stage 25 of the refrigerator 9, and the pressure (helium in the containment vessel 4 is indirectly adjusted). 50), in place of or in addition to the heater 27, as shown in FIG. 2, a heater 33 (see FIG. 2) provided in the liquid refrigerant 3 (inside the storage container 4). The amount of heat applied to the helium 50 can be adjusted to adjust the pressure in the storage container 4.

本発明の実施形態に係る極低温装置が搭載されたMRIの正面断面略図である。1 is a schematic front sectional view of an MRI equipped with a cryogenic apparatus according to an embodiment of the present invention. 図1の極低温装置の要部を拡大して示す正面断面図である。It is front sectional drawing which expands and shows the principal part of the cryogenic apparatus of FIG. 図1の極低温装置における液体溶媒の温度を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature of the liquid solvent in the cryogenic apparatus of FIG. 液体ヘリウムの液面の温度を4.2Kまで上昇させた場合における、液体ヘリウムの深部の温度を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature of the deep part of liquid helium when the temperature of the liquid level of liquid helium is raised to 4.2K. 別の実施形態に係る図3相当図である。FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 3 according to another embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 極低温装置
2 超伝導磁石
3 液体ヘリウム
3a 液面
4 格納容器
5 スリーブ
8 開口部
9 冷凍機
10 ガス流生成手段
11 シールド容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cryogenic apparatus 2 Superconducting magnet 3 Liquid helium 3a Liquid level 4 Storage container 5 Sleeve 8 Opening part 9 Refrigerator 10 Gas flow generation means 11 Shield container

Claims (3)

被冷却体を液体冷媒中に浸漬した状態で格納する格納容器と、この格納容器から前記液体冷媒の液面の上方へ延びて開口するスリーブと、前記開口部を閉塞しつつスリーブ内に着脱自在に挿入されるとともに当該スリーブ内で気化している前記液体冷媒を再凝縮する冷凍機とを備えた極低温装置についての、前記冷凍機の交換作業に適した運転方法であって、
前記液体冷媒が大気圧条件下における当該液体冷媒の沸点未満の過冷却温度となるように、前記液体冷媒を前記冷凍機によって冷却する過冷却工程と、
前記液体冷媒が前記過冷却温度に冷却された状態で、前記スリーブに対して冷凍機よりも格納容器側の位置からパージガスを導入可能なガス流生成手段によって、前記スリーブ内に前記開口部及び液体冷媒の液面へ向かうパージガス流を生成するガス流生成工程と、
前記ガス流生成工程を行っている間に前記冷凍機を交換する交換工程とを含むことを特徴とする極低温装置の運転方法。
A storage container for storing the object to be cooled immersed in the liquid refrigerant, a sleeve that opens from the storage container to the upper side of the liquid refrigerant surface, and an opening that closes the opening while being detachable in the sleeve And a cryogenic device provided with a refrigerator that re-condenses the liquid refrigerant vaporized in the sleeve and is suitable for replacing the refrigerator,
A subcooling step of cooling the liquid refrigerant by the refrigerator so that the liquid refrigerant has a supercooling temperature below the boiling point of the liquid refrigerant under atmospheric pressure conditions;
In a state where the liquid refrigerant is cooled to the supercooling temperature, the opening and the liquid are formed in the sleeve by gas flow generation means capable of introducing a purge gas from a position closer to the storage container than the refrigerator with respect to the sleeve. A gas flow generating step for generating a purge gas flow toward the liquid level of the refrigerant;
And a replacement step of replacing the refrigerator while performing the gas flow generation step.
前記極低温装置の通常運転時には前記液体冷媒を大気圧条件下における前記液体冷媒の沸点以上の温度に維持するようにし、前記交換工程を行う前に前記通常運転から前記過冷却工程の過冷却運転に移行することを特徴とする請求項1に記載の極低温装置の運転方法。   During normal operation of the cryogenic device, the liquid refrigerant is maintained at a temperature equal to or higher than the boiling point of the liquid refrigerant under atmospheric pressure conditions, and the subcooling operation from the normal operation to the subcooling operation is performed before the replacement step. The operation method of the cryogenic apparatus according to claim 1, wherein 前記冷凍機の冷却能力を、前記液体冷媒を前記過冷却温度まで冷却可能となる能力に設定しておき、前記通常運転時には前記冷凍機を運転しながら、当該冷凍機又はスリーブ内に設けられた加熱手段による熱量を調整して前記液体冷媒の温度を調整するようにし、前記過冷却工程では前記冷凍機を運転したまま前記加熱手段を停止することにより前記液体冷媒を過冷却温度まで冷却することを特徴とする請求項2に記載の極低温装置の運転方法。   The cooling capacity of the refrigerator is set to an ability capable of cooling the liquid refrigerant to the supercooling temperature, and is provided in the refrigerator or sleeve while operating the refrigerator during the normal operation. The temperature of the liquid refrigerant is adjusted by adjusting the amount of heat by the heating means, and the liquid refrigerant is cooled to the supercooling temperature by stopping the heating means while operating the refrigerator in the supercooling step. The operation method of the cryogenic apparatus according to claim 2.
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