JP5969944B2

JP5969944B2 - クライオスタット

Info

Publication number: JP5969944B2
Application number: JP2013066832A
Authority: JP
Inventors: 和仁田子; 昭弘大塚
Original assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Current assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN105122487A; EP2980873A4; US20160055949A1; CN105122487B; EP2980873A1; JP2014192360A; WO2014156561A1

Description

本発明は、超電導マグネット等を冷却するためのクライオスタットに関する。

ＮＭＲ装置等に適用される超電導マグネット装置においては、冷媒である液体ヘリウムの消費をゼロにするために、蒸発した冷媒を再凝縮する冷凍機が用いられる。しかし、冷凍機からの振動で磁場擾乱が発生するために、ＮＭＲ装置で得られるＮＭＲ信号にノイズが発生するという問題がある。

そこで、特許文献１には、冷凍機が発生させる音響波の波長よりも直径が十分に小さい孔が多数設けられたプラグを、冷凍機の下部を収容する液化室と、液体ヘリウムを収容する冷媒槽とをつなぐ通路に設けたクライオスタットアセンブリが開示されている。冷媒槽内で液体ヘリウムが蒸発することで生じたヘリウムガスは、多数の孔を通って液化室に入る。液化室内でヘリウムガスが再液化することで生じた液体ヘリウムは、多数の孔を通って冷媒槽に戻る。そして、冷凍機で発生した音響波は、多数の孔を通過する際に減衰されることとなる。

特開２００６−１８４２８０号公報

しかしながら、特許文献１のプラグには、以下のような問題点がある。即ち、冷凍機のメンテナンス時に、冷媒槽は一時的に開放される。このときに、冷媒槽内に微少な空気が混入する可能性がある。冷媒槽内に混入した空気は冷媒で冷却されて凝縮し、冷媒槽内に留まる。この凝縮した空気が、万一プラグの多数の孔を閉塞させた場合には、冷媒槽と液化室との通路が遮断され、再凝縮機能に致命的な不全が生じる。

本発明の目的は、冷凍機に由来する振動を低減させることが可能なクライオスタットを提供することである。

本発明におけるクライオスタットは、液体の冷媒を収容する冷媒槽と、前記冷媒槽の上方に設けられ、前記冷媒槽内で蒸発した冷媒を再液化させる冷凍機と、前記冷凍機の下部を収容して前記冷媒槽に連通する液化室を形成する筒状部材と、前記冷媒槽内における液体の冷媒の液面よりも上方の空間、および、前記液化室の少なくとも一方に連通し、前記液化室の５７．１倍以上の気相容積を有し、気体の冷媒を収容する収容手段と、を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、気体の冷媒を収容する収容手段を、冷媒槽内における液体の冷媒の液面よりも上方の空間、および、液化室の少なくとも一方に連通させることで、冷媒槽や液化室の気相容積が大きくなる。ここで、冷凍機からの音響振動（圧力変動）は、冷凍機の液化サイクルにより引き起こされるが、単位時間当たりの液化量に対して気相容積が大きいほど圧力変動は抑制される傾向にある。そこで、冷媒槽や液化室そのものを大きくすることで、気相容積を大きくすることが考えられる。しかし、冷媒槽や液化室そのものを大きくすると、クライオスタットが大型化し、より大きな設置面積が必要となる。また、クライオスタットの表面積が大きくなることで熱浸入が増加し、冷凍機への負荷が大きくなる。そこで、気体の冷媒を収容する収容手段を冷媒槽や液化室に接続し、収容手段で気相容積を大きくすることで、冷凍機からの圧力変動を抑制する。これにより、冷凍機に由来する振動を低減させることができる。

また、本発明におけるクライオスタットにおいては、前記収容手段が、前記液化室に連通されていてよい。上記の構成によれば、気体の冷媒を収容する収容手段を液化室に連通させる。液化室は冷媒槽よりも気相容積が小さいために、冷媒槽よりも圧力変動が伝わりやすい。よって、圧力変動を伝わりにくくするには、冷媒槽側の気相容積を大きくするよりも、液化室側の気相容積を大きくする方が効果的である。そこで、液化室に収容手段を連通させて、液化室側の気相容積を大きくする。これにより、冷凍機からの圧力変動を好適に抑制することができる。

また、本発明におけるクライオスタットにおいては、前記冷媒槽内に超電導マグネットが収容されていてよい。上記の構成によれば、冷媒槽内に超電導マグネットを収容して高分解能ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）に用いた際に、冷凍機に由来する振動を低減させることで、ＮＭＲ信号に現れるノイズを低減させることができる。

本発明のクライオスタットによると、気体の冷媒を収容する収容手段を冷媒槽や液化室に接続し、収容手段で気相容積を大きくすることで、冷凍機からの圧力変動を抑制することができるので、冷凍機に由来する振動を低減させることができる。

クライオスタットの内部構造を示す側面図である。圧力変動の計算値および実測値を示す図である。圧力変動の時間変化の測定結果を示す図である。ＮＭＲ信号を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（クライオスタットの構成）
本発明の第１実施形態によるクライオスタット１００は、図１に示すように、液体の冷媒である液体ヘリウムを収容するヘリウム槽（冷媒槽）２と、ヘリウム槽２の上方に設けられた冷凍機５と、ヘリウム槽２に連通する液化室８を形成する筒状部材１５と、液化室８に連通するバッファタンク（収容手段）１０と、を有している。なお、本実施形態のクライオスタット１００は、ＮＭＲ装置に用いられるものであるが、これに限定されず、例えば、ＭＲＩ装置に用いられるものであってもよい。また、冷媒はヘリウムに限定されない。

ヘリウム槽２にはガス放出口（図示せず）が設けられている。このガス放出口は、冷凍機５の能力を喪失した際にヘリウムガスが蒸発する経路であり、後述する筒部材１３の上端部に設けられている。このガス放出口の上側には、外部からヘリウム槽２内への空気の混入を防止するための逆止弁が取り付けられている。そのため、ヘリウム槽２内のヘリウムガスが冷凍機５によって冷却されて液化してもヘリウム槽２内の総ヘリウム量は変化しない。また、ヘリウム槽２内への空気の混入を防止するために、ヘリウム槽２内の圧力は、大気圧よりも僅かに高い正圧に制御されている。ヘリウム槽２の材質としては、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられる。

ヘリウム槽２内には、超電導マグネット１が収容されている。超電導マグネット１は、超電導線材を巻枠（図示せず）に螺旋状に巻回してなるものである。超電導線材は、金属系超電導線材であってもよいし、酸化物系超電導線材であってもよい。また、ヘリウム槽２の中心部には、鉛直方向に延びる円筒空間Ｓ（ボア）が設けられている。この円筒空間Ｓに試料が入れられ、様々な分析・実験が行われる。

ヘリウム槽２は、輻射シールド３で囲まれている。この輻射シールド３は、冷熱をより逃がさないようにするための、ヘリウムガスの有する冷熱で冷却されるシールド容器である。また、輻射シールド３は、冷凍機５の後述する第１冷却ステージ６により強制冷却されている。輻射シールド３の材質としては、アルミニウム、銅などが挙げられる。

また、ヘリウム槽２および輻射シールド３は、真空容器４内に収容されている。この真空容器４は、その内部を高真空に保持され、超電導マグネット１やヘリウム槽２への熱侵入を抑制する容器である。真空容器４の上部には、内部に筒部材１３を有するネック部材１２が取り付けられている。筒部材１３は、電流リード（図示せず）の挿入通路として用いられたり、ヘリウム槽２内への液体ヘリウムの補充通路として用いられたりする。また、真空容器４は、複数のスタンド９によって床上に支持されている。真空容器４の材質としては、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられる。

冷凍機５は、ヘリウム槽２内で蒸発した液体ヘリウムを再液化させるためのものであり、本実施形態ではパルスチューブ冷凍機が用いられている。冷凍機５の鉛直方向における中途部には第１冷却ステージ６（１ｎｄステージ）が設けられ、冷凍機５の下端部には第２冷却ステージ７（２ｎｄステージ）が設けられている。第１冷却ステージ６および第２冷却ステージ７は、いずれもフランジ状の形態を有しており、冷凍機５により冷却されて、それぞれ、例えば約４０Ｋおよび約４Ｋになる。第１冷却ステージ６および第２冷却ステージ７の材質は、主に銅や銅合金である。なお、冷凍機５は、パルスチューブ冷凍機に限定されず、ＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機などであってもよい。

筒状部材１５は、冷凍機５における第２冷却ステージ７を含む下部を収容している。この筒状部材１５の外側にはさらに筒状部材１６が配置されている。この筒状部材１５の内部空間が液化室８であり、この液化室８とヘリウム槽２とは、筒状部材１５よりも小径の筒状の連通部材１４で連通されている。

バッファタンク１０は、ヘリウム槽２や液化室８よりも気相容積が大きく、気体の冷媒であるヘリウムガスを収容している。本実施形態において、液化室８の気相容積が３．５Ｌであるのに対して、バッファタンク１０の気相容積は２５０Ｌである。このバッファタンク１０は、床上に設置されている。このようなバッファタンク１０が連通路１１を介して液化室８に連通されることで、液化室８の気相容積が大きくされている。バッファタンク１０の材質としては、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられる。

ここで、冷凍機５からの音響振動（圧力変動）は、冷凍機５の液化サイクルにより引き起こされる。ところが、単位時間当たりの液化量に対して気相容積が大きいほど圧力変動は抑制される傾向にある。そこで、ヘリウム槽２や液化室８そのものを大きくすることで、気相容積を大きくすることが考えられる。しかし、ヘリウム槽２や液化室８そのものを大きくすると、クライオスタット１００が大型化し、より大きな設置面積が必要となる。また、クライオスタット１００の表面積が大きくなることで熱浸入が増加し、冷凍機５への負荷が大きくなる。

そこで、本実施形態においては、液化室８にバッファタンク１０を接続し、バッファタンク１０で液化室８の気相容積を大きくすることで、冷凍機５からの圧力変動を抑制している。

なお、ヘリウム槽２内における液体ヘリウムの液面よりも上方の空間にバッファタンク１０を連通させて、ヘリウム槽２の気相容積を大きくしても、冷凍機５からの圧力変動を抑制することができる。ただし、液化室８はヘリウム槽２よりも容量が小さいために、ヘリウム槽２よりも圧力変動が伝わりやすい。よって、圧力変動を伝わりにくくするには、ヘリウム槽２側の気相容積を大きくするよりも、液化室８側の気相容積を大きくする方が効果的である。

（圧力変動評価）
次に、液化室８側の気相容積を変化させたときの冷凍機５からの圧力変動の値を評価した。まず、計算モデルを用いて圧力変動の計算値を求めた。その結果を表１に示す。

次に、実際に液化室８側の気相容積を変化させて、圧力変動の実測値を測定した。その結果を表２に示す。

圧力変動の計算値および実測値を図２に示す。液化室８側の気相容積が大きいほど圧力変動は抑制される傾向にあることがわかる。

（圧力変動の時間変化）
次に、バッファタンク１０を液化室８に接続したときと、接続しないときとで、ヘリウム槽２内の圧力変動の時間変化を測定した。測定条件として、バッファタンク１０の容量（気相容積）を２５０Ｌとし、ヘリウム槽２内の液体ヘリウムの液面高さをヘリウム槽２内部の全高の６９％とし、ヘリウム槽２のベース圧力を２．３ｋＰａとした。測定結果を図３に示す。

バッファタンク１０を液化室８に接続しないときの圧力変動のピークピーク値が６Ｐａ程度であるのに対して、バッファタンク１０を液化室８に接続したときの圧力変動のピークピーク値は１．３Ｐａ程度であった。このことから、バッファタンク１０で液化室８の気相容積を大きくすることで、圧力変動が抑制されることがわかる。

（ＮＭＲ信号のノイズ評価）
次に、バッファタンク１０を液化室８に接続したときと、接続しないときとで、ＮＭＲ信号に現れるノイズを評価した。その結果を図４に示す。

バッファタンク１０を液化室８に接続しないときには、図４（ａ）に示すように、ＮＭＲ信号に大きなノイズが現れたのに対して、バッファタンク１０を液化室８に接続したときには、図４（ｂ）に示すように、ＮＭＲ信号に現れるノイズが低減した。このことから、バッファタンク１０で液化室８の気相容積を大きくして、冷凍機５に由来する振動を低減させることで、ＮＭＲ信号に現れるノイズが低減することがわかる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット１００によると、ヘリウムガスを収容するバッファタンク１０を、ヘリウム槽２内における液体ヘリウムの液面よりも上方の空間、および、液化室８の少なくとも一方に連通させることで、ヘリウム槽２や液化室８の気相容積が大きくなる。ここで、冷凍機５からの音響振動（圧力変動）は、冷凍機５の液化サイクルにより引き起こされるが、単位時間当たりの液化量に対して気相容積が大きいほど圧力変動は抑制される傾向にある。そこで、ヘリウム槽２や液化室８そのものを大きくすることで、気相容積を大きくすることが考えられる。しかし、ヘリウム槽２や液化室８そのものを大きくすると、クライオスタット１００が大型化し、より大きな設置面積が必要となる。また、クライオスタット１００の表面積が大きくなることで熱浸入が増加し、冷凍機５への負荷が大きくなる。そこで、ヘリウム槽２や液化室８にバッファタンク１０を接続し、バッファタンク１０で気相容積を大きくすることで、冷凍機５からの圧力変動を抑制する。これにより、冷凍機５に由来する振動を低減させることができる。

また、バッファタンク１０を液化室８に連通させる。液化室８はヘリウム槽２よりも気相容積が小さいために、ヘリウム槽２よりも圧力変動が伝わりやすい。よって、圧力変動を伝わりにくくするには、ヘリウム槽２側の気相容積を大きくするよりも、液化室８側の気相容積を大きくする方が効果的である。そこで、液化室８にバッファタンク１０を連通させて、液化室８側の気相容積を大きくする。これにより、冷凍機５からの圧力変動を好適に抑制することができる。

また、ヘリウム槽２内に超電導マグネット１を収容して高分解能ＮＭＲに用いた際に、冷凍機５に由来する振動を低減させることで、ＮＭＲ信号に現れるノイズを低減させることができる。

（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、本実施形態では、ヘリウムガスを収容する収容手段としてバッファタンク１０を用いているが、収容手段は容器に限定されず、袋や気密室などであってもよい。

また、本実施形態では、液化室８にバッファタンク１０を連通させているが、ヘリウム槽２と液化室８の両方にバッファタンク１０を連通させてもよい。

１超電導マグネット
２ヘリウム槽（冷媒槽）
３輻射シールド
４真空容器
５冷凍機
６第１冷却ステージ
７第２冷却ステージ
８液化室
９スタンド
１０バッファタンク（収容手段）
１１連通路
１２ネック部材
１３筒部材
１４連通部材
１５筒状部材
１６筒状部材
１００クライオスタット

Claims

液体の冷媒を収容する冷媒槽と、
前記冷媒槽の上方に設けられ、前記冷媒槽内で蒸発した冷媒を再液化させる冷凍機と、
前記冷凍機の下部を収容して前記冷媒槽に連通する液化室を形成する筒状部材と、
前記冷媒槽内における液体の冷媒の液面よりも上方の空間、および、前記液化室の少なくとも一方に連通し、前記液化室の５７．１倍以上の気相容積を有し、気体の冷媒を収容する収容手段と、
を有することを特徴とするクライオスタット。
前記収容手段が、前記液化室に連通されていることを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット。
前記冷媒槽内に超電導マグネットが収容されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット。