JP5086920B2 - 極低温格納容器及び極低温装置 - Google Patents
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Description
《第1実施形態》
図1に本発明の第1実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器10Aは、概略、内部が真空に保持される真空容器11と、真空容器11の内部に収容され、固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽12と、冷熱を発生させる冷凍機25と、冷凍機25で発生させた冷熱を固体冷媒槽12に熱伝導するための第1熱伝導部材として用いられる冷凍ステージ26と、冷凍ステージ26からの熱伝導によって固体冷媒槽12に貯蔵された固体冷媒(又は液体冷媒)を冷却する第2熱伝導部材として用いられる上側熱伝導部材15と、液体冷媒を貯留するために固体冷媒槽12の外周(側面)と真空容器11の内周との間に形成された空間に固体冷媒槽12の外周を一定の間隔を設けて囲むように配設された二重円筒状の液体冷媒槽21とを備えており、被冷却体5が固体冷媒槽12の底面板16の外側(下面側)に取り付けられた構造を有している。
被冷却体5は、例えば、超電導磁石のように磁気(磁場)を発生し、又は、SQUIDのように磁気を検出する磁気デバイスである。極低温格納容器10Aの構成部品は、被冷却体5が磁気デバイスであることを前提としてその特性が発揮されるように、選定されているものとする。
真空容器11の底面板は被冷却体5と対向しており、被冷却体5が磁気を与え又は磁気を検出する対象物は、真空容器11の底面板を挟んで被冷却体5の位置とは反対側の真空容器11外側(下面側)に配置されるため、真空容器11は、被冷却体5と前記対象物との間で磁気(磁場)に影響を与えない非磁性材料で構成され、例えば、ステンレス等の金属材料や繊維強化プラスチック(FRP;Fiber Reinforced Plastics)等の非金属材料で構成されていることが好ましい。
真空容器11の上面板には穴11aが形成されており、冷凍機25は、この穴11aの上側において真空容器11の上面板に固定されている。冷凍機25としては、スターリング型冷凍機やパルス管型冷凍機、ギフォード・マクマホン型冷凍機等の各種の極低温冷凍機を用いることができ、その選定にあたっては、その冷却性能と固体冷媒(液体冷媒)の凝固点(融点)を考慮すればよい。
固体冷媒槽12の構成材料には、ステンレスやCu、Al等の金属材料、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP;Grass Fiber Reinforced Plastics)等の非金属材料が用いられる。なお、被冷却体5がSQUIDである場合には、被冷却体5が取り付けられている固体冷媒槽12の底面板16で渦電流が発生すると、検出精度が低下することから、絶縁材料であるGFRPが好適に用いられる。
液体冷媒槽21は円環状容器であり、液体冷媒槽21には液体冷媒が貯留される。被冷却体5は磁気デバイスであるため、液体冷媒槽21を構成する材料は、ステンレスやAl,Cu等の非磁性金属材料や、FRP等の非磁性・非金属材料が用いられる。
次に、極低温格納容器10Aの使用形態について説明する。極低温格納容器10Aの最初の運転開始時には、固体冷媒槽12と液体冷媒槽21のいずれにも冷媒は貯蔵されていないため、例えば、冷媒配管31を通して一定量の液体冷媒を液体冷媒槽21に注入する。液体冷媒槽21に注入された液体冷媒は、連絡配管22を通じて固体冷媒槽12へ流入し、固体冷媒槽12内では下側熱伝導部材17の開口部(図示せず)を通じて流通する。こうして、液体冷媒槽21と固体冷媒槽12における液体冷媒の液面の高さは同じとなる。なお、固体冷媒槽12側の冷媒配管33から液体冷媒を注入してもよい。この時点で、被冷却体5は液体冷媒から冷熱が熱伝導されることにより、液体冷媒の沸点近傍の温度に冷却される。
前記説明の通り、極低温格納容器10Aでは、冷凍機25の運転が停止しても、固体冷媒槽12に長時間にわたって固体冷媒を保持することができる。この効果について、図1〜3を参照して説明する。図2は従来の極低温格納容器の熱経路を示す模式図であり、図3は極低温格納容器10Aの熱経路を示す模式図である。
図4に本発明の第2実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器10Bが、第1実施形態に係る極低温格納容器10Aと異なる点は、液体冷媒槽21の内面にキャピラリ(毛細管)41が取り付けられている点である。極低温格納容器10Bの他の構成要素は、極低温格納容器10Aの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
図5に本発明の第3実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器10Cが、第1実施形態に係る極低温格納容器10Aと異なる点は、極低温格納容器10Aが具備する連絡配管22に代えて、蛇行構造を有する蛇行配管42を、固体冷媒槽12と液体冷媒槽21との間での液体冷媒の流通に用いるように構成した点である。極低温格納容器10Cのその他の構成要素は、極低温格納容器10Aの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
図6に本発明の第4実施形態に係る極低温格納容器の概略断面図を示す。この極低温格納容器10Dが、第1実施形態に係る極低温格納容器10Aと異なる点は、極低温格納容器10Aが具備する液体冷媒槽21が、その下端部に環状のタンク部43を備えている点である。極低温格納容器10Dのその他の構成要素は、極低温格納容器10Aの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
図7(a)に本発明の第5実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を表した垂直断面図を示し、(b)に水平断面図を示す。この極低温格納容器10Eが、第1実施形態に係る極低温格納容器10Aと異なる点は、極低温格納容器10Aが具備する輻射侵入熱遮断手段である円環状の液体冷媒槽21に代えて、シールド板45と有底筒状の液体冷媒槽46とを有する輻射侵入熱遮断手段を備えている点である。極低温格納容器10Eのその他の構成要素は、極低温格納容器10Aの構成要素と同じであるため、ここでの説明は省略する。
シールド板45は、筒状の形状を有し、固体冷媒槽12の外周と真空容器11の内周との間に形成された空間に、固体冷媒槽12の外周を一定の間隔を設けて囲むように配設されている。ここでは、シールド板45は、固体冷媒槽12に接続された液体冷媒槽46に接続されることによって、一定位置で保持されている。シールド板45は、外部からの輻射侵入熱を、液体冷媒槽46へ熱伝導するために設けられる。そのため、シールド板45は、好ましくはAlやCu等の熱伝導率の大きな材料で構成される。
液体冷媒槽46は、有底筒状の形状を有し、シールド板45の内側に配置されて、シールド板45を接続保持している。極低温格納容器10Eでは、液体冷媒槽46の配設数を4本としているが、液体冷媒槽46の数は、1本の液体冷媒槽46の大きさ(貯留可能な液体冷媒量)等によって、1本でもよく4本以外の複数本でもよい。
図8(a)に本発明の第6実施形態に係る極低温格納容器の概略構造を表した垂直断面図を示し、(b)に水平断面図を示す。この極低温格納容器10Fが、第5実施形態に係る極低温格納容器10Eと異なる点は、極低温格納容器10Eでは、有底筒状の液体冷媒槽46の外側にシールド板45が配置されているのに対し、極低温格納容器10Fでは、有底筒状の液体冷媒槽46の内側にシールド板45が配置されている点である。
以上に説明した第1〜6実施形態に係る極低温格納容器10A〜10Fは、例えば、磁気誘導式DDS(ドラッグデリバリーシステム)に用いられる。磁気誘導式DDSでは、患者の体内に磁性微粒子に薬剤を付加した磁性薬剤を注入し、磁気力を利用して、磁性薬剤を患部に誘導することにより、患部における薬剤濃度を高められて治療効果が高められることが期待される。このような磁性薬剤の誘導には、高磁場又は高磁気勾配を発生する超電導磁石が必要であり、極低温格納容器10A〜10Fにより超電導磁石がその機能を発揮することができる状態に保持される。
図9にMRI装置の概略構造を表した垂直断面図を示す。MRI装置100では、その中心部に形成されている空間100cに被検査体(例えば、患者等)が載置され、この空間100cに所定の磁場を形成するために、空間100cの上側と下側に、超電導磁石51a,51b,52a,52b,53a,53b(以下「超電導磁石51a等」といい、これらについては後に説明する)が、空間100cに対して左右対称に配置されている。
図10にSQUID装置の概略構造を表した垂直断面図を示す。SQUID装置200は、内部が真空に保持される真空容器11と、真空容器11の内部に収容され、固体冷媒を貯蔵する固体冷媒槽12と、冷熱を発生させる冷凍機25と、冷凍機25で発生させた冷熱を固体冷媒槽12に熱伝導する冷凍ステージ26と、冷凍ステージ26からの熱伝導によって固体冷媒槽12に貯蔵された固体冷媒を冷却する上側熱伝導部材15と、液体冷媒を貯留するために固体冷媒槽12の外周と真空容器11の内周との間に形成された空間に固体冷媒槽12の外周を一定の間隔を設けて囲むように配設された液体冷媒槽21とを備えており、被冷却体としてのSQUID20が固体冷媒槽12の内部底面側に複数(ここでは、4つ)配設された構造を有している。
図11に電子ビーム源装置の概略構造を表した垂直断面図を示す。この電子ビーム源装置300は、基本的に、極低温格納容器10A(図1参照)を用いて構成されている。極低温格納容器10Aでは、被冷却体5を固体冷媒槽12の底面板16に取り付けて冷却する構造となっているが、電子ビーム源装置300では、固体冷媒槽12の底面板16に板状の熱伝導部材91を取り付け、この熱伝導部材91に被冷却体としての電子ビーム発振器90を固体冷媒槽12から離れた位置に設置しており、この点で異なっている。
7 熱伝導部材
10A,10B,10C,10D,10E,10F 極低温格納容器
11 真空容器
12 固体冷媒槽
15 上側熱伝導部材(第2熱伝導部材)
17 下側熱伝導部材
21 液体冷媒槽
22 連絡配管
23 支持体
25 冷凍機
26 冷凍ステージ(第1熱伝導部材)
31,33 冷媒配管
32,34 逆止弁
41 キャピラリ
42 蛇行配管
43 タンク部
45 シールド板
46 液体冷媒槽
51a,51b,52a,52b 超電導磁石
100 MRI装置
200 SQUID装置
300 電子ビーム源装置
Claims (8)
- 冷熱を発生させる冷凍機と、
所定の固体冷媒を貯蔵し、所定の被冷却体を冷却する固体冷媒槽と、
前記冷凍機で発生させた冷熱を前記固体冷媒槽に熱伝導する第1熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽に収容され、前記固体冷媒槽に収容された固体冷媒を前記第1熱伝導部材からの熱伝導によって冷却する第2熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽を収容する真空容器と、
前記固体冷媒槽の外周と前記真空容器の内周との間に形成された空間に前記固体冷媒槽の外周を所定の間隔を設けて囲むように配設され、前記固体冷媒槽に貯蔵された固体冷媒の融解により生成する液体冷媒を貯留し、この貯留した液体冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱として前記真空容器からの侵入熱を消費することにより前記固体冷媒槽への侵入熱を小さく抑える液体冷媒槽と、
前記固体冷媒槽と前記液体冷媒槽との間での液体冷媒の移動を可能にする連絡配管と、を具備することを特徴とする極低温格納容器。 - 前記液体冷媒槽を前記固体冷媒槽に接続して支持する支持体をさらに具備し、
前記支持体は、前記固体冷媒槽側において、前記第1熱伝導部材に、又は、前記固体冷媒槽において前記第1熱伝導部材が取り付けられている部位に、取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の極低温格納容器。 - 長さ方向が鉛直方向と略平行となるように前記液体冷媒槽の内面に配設されたキャピラリをさらに具備することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の極低温格納容器。
- 前記連絡配管は、その両端間の直線距離よりも全長が長い蛇行配管であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の極低温格納容器。
- 前記液体冷媒槽はその底部に、底面の面積が上面の面積よりも広くなるように鉛直方向の所定位置に形成された段差により形成されたタンク部を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の極低温格納容器。
- 冷熱を発生させる冷凍機と、
所定の固体冷媒を貯蔵し、所定の被冷却体を冷却する固体冷媒槽と、
前記冷凍機で発生させた冷熱を前記固体冷媒槽に熱伝導する第1熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽に収容され、前記固体冷媒槽に収容された固体冷媒を前記第1熱伝導部材からの熱伝導によって冷却する第2熱伝導部材と、
前記固体冷媒槽を収容する真空容器と、
前記固体冷媒槽の外周と前記真空容器の内周との間に形成された空間に前記固体冷媒槽の外周を所定の間隔を設けて囲むように配設されたシールド板と、
有底筒状の形状を有し、前記シールド板と接触するように前記シールド板の内側又は外側に1本又は複数本配設され、前記固体冷媒槽に貯蔵された固体冷媒の融解により生成する液体冷媒を貯留し、この貯留した液体冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱として前記シールド板の熱を消費することにより前記シールド板の温度上昇を抑制して前記固体冷媒槽への侵入熱を小さく抑える液体冷媒槽と、
前記固体冷媒槽と前記液体冷媒槽との間での液体冷媒の移動を可能にする連絡配管と、を具備することを特徴とする極低温格納容器。 - 前記連絡配管は、ステンレス製又は非金属製であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の極低温格納容器。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の極低温格納容器を備え、
前記極低温格納容器が具備する固体冷媒槽によって冷却される被冷却体が、超電導磁石、SQUID及び電子ビーム発振器のいずれか1種であることを特徴とする極低温装置。
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