JP6849514B2

JP6849514B2 - クライオスタット

Info

Publication number: JP6849514B2
Application number: JP2017078008A
Authority: JP
Inventors: 潤一藤平; 秀幸藤平; 和訓渡邊; 誠一藤平
Original assignee: 株式会社フジヒラ
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-04-11
Also published as: JP2018182013A

Description

本発明は、液体ヘリウムなどの寒剤を用いて超伝導センサなどの被冷却体を極低温状態に冷却するためのクライオスタット（極低温冷却装置）に関する。

従来のクライオスタットは、超伝導センサを寒剤と共に収容する内容器と、この内容器を真空層や断熱材を介して収容する外容器との二重構造となっており、この外容器に形成された開口部から内容器側に延びる管路を介して各種配管やケーブルなどが外部から内容器に接続される構造となっている。そして、この外容器の下方に測定対象物を位置させた状態、すなわち測定対象物の上方に内容器内の超伝導センサが位置するようにさせた状態で使用するのが一般的である。

その一方、測定対象物が人体の場合は、その上方にこのクライオスタットが位置していると被検者に無用な圧迫感を与えるおそれがある。そのため、このような場合は検査時の圧迫感を少しでも軽減するために例えば以下の特許文献１などに示すように被検者の下方にこのクライオスタットを配置することが望ましい。

米国特許公報ＵＳ２００４／０００２６４５Ａ１

ところで、前記特許文献１に示すように被検者の下方にクライオスタットを配置した場合では、従来と同様に開口部がその外容器の上面側、すなわち被検者の頭部などの近傍に形成されていると、そこに各種配管や導線・ケーブルなどが多数配置された状態になるため、被検者にとって穏やかな環境とはいえない。

そのため、人体を測定対象物とするクライオスタットの場合は、さらにその開口部を被検者から離れた外容器の底面側に設けることが望ましいが、そうするとこの開口部から内容器への侵入熱が増大するという不都合がある。すなわち、この開口部は室温に近く高温となっているため、これが外容器の底面側に位置していると、この開口部と連通する管路内のガスが開口部からの入熱により温められた後、熱対流により管路内を上昇して内容器側に達し、その内部に貯留された寒剤の蒸発を促進させてしまうことになる。

特に、この開口部に各種配管や導線・ケーブルを集中させたり、あるいはメンテナンスなどのためにその管路の口径を大きくした場合には、対流するガス量も増えてその開口部からの侵入熱がより増大してしまうことになる。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、開口部を外容器の底面側に設けてもその開口部からの侵入熱を大幅に抑制できる新規なクライオスタットを提供することにある。

前記課題を解決するために第１の発明は、被冷却体を寒剤と共に収容する内容器と、当該内容器を収容する外容器とを備えたクライオスタットであって、前記外容器の底部に開閉自在な開口部を形成すると共に、前記被冷却体に接続される導線および前記寒剤を供給する配管を通過させるべく前記開口部から内容器内に延びる通路を形成し、当該通路内に前記開口部下部の空間をほぼ完全に充填するインサートを着脱自在に装着したことを特徴とするクライオスタットである。

このような構成によれば、開口部から内容器内に延びる通路内がインサートで充填されて塞がれた状態になるため、この通路内でのガスの対流現象が抑制されて開口部から内容器への侵入熱を大幅に抑制できる。

第２の発明は第１の発明において、通路の口径は作業員の手が入る大きさであることを特徴とするクライオスタットである。このような構成によれば、開口部を開くと共にインサートを取り外せば、外容器を分解することなく、その通路から手を差し込んで内容器内の被冷却体の交換作業や簡単なメンテナンスなどを容易に行うことができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記インサートの外面に、その周方向に延びる環状またはらせん状の溝からなるガス流路を形成したことを特徴とするクライオスタットである。このような構成によれば、内容器で発生した寒剤の気化ガスがインサートの外面に形成されたガス流路に沿って開口部方向へ均一に流れるため、インサートの外面と通路壁面間からのガスの逆流などによる侵入熱を抑えることができる。

第４の発明は、第３の発明において、前記インサートの外面と前記通路壁面との間隙を０．２ｍｍ以下にしたことを特徴とするクライオスタットである。このような構成によれば、前記通路内へのインサートの装着を容易に行えると共にその間隙のガスの流れを防止できるため、その間隙からの侵入熱を抑えることができる。

第５の発明は、第１乃至第４の発明において、前記インサートを中空体から構成すると共に、その内部を真空状態にしたことを特徴とするクライオスタットである。このような構成によれば、インサート自体の熱伝導率を低く抑えることができるため、このインサートを介した侵入熱を大幅に抑制することができる。

第６の発明は、第５の発明において、前記中空体の内部を金属箔で覆った１つまたは複数の仕切板によって上下多段に区画すると共に、区画された各空間内に多層断熱材を充填または吸着剤を配置したことを特徴とするクライオスタットである。このような構成によれば、インサート自体の熱伝導率をさらに低く抑えることができるため、インサートを介した侵入熱を抑制できる。

本発明によれば、外容器の底部に開口部を形成し、この開口部から内容器内に延びる通路内にインサートを装着してその通路内を充填して塞いだことにより、この通路内でのガスの対流現象が抑制されるため、開口部から内容器への侵入熱を大幅に抑制できる。

本発明に係るクライオスタット１００の実施の一形態を示す断面図である。本発明に係るクライオスタット１００のインサート２００部分を示す縦断面図である。インサート２００を示す外観斜視図である。本発明に係るクライオスタット１００の他の実施形態を示す断面図である。図４中Ａ−Ａ線断面図である。本発明に係るクライオスタット１００の他の実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るクライオスタット１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこのクライオスタット１００は、被冷却体（磁気センサ）１０を寒剤（液体ヘリウム）１１と共に収容する円筒体の内容器１１０と、この内容器１１０を真空空間２１および幅射シールド２２を介して収容する円筒体の外容器１２０との二重構造となっている。

外容器１２０の底部の中央部には、円形の開口部１３０が形成されており、円板状の蓋部（フランジ）１３１によって開閉自在となっている。この開口部１３０には、これより垂直上方に延びるような管体１３２からなる通路１４０が形成されており、その頂部は、内容器１１０の底部を貫通してその内部と連通するように開口している。そして、図示するようにこの通路１４０（管体１３２）の上端開口部の直上に磁気センサ１０が設置されている。

この通路１４０を構成する管体１３２は、ガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などの低熱伝導材料で形成されており、その口径は、被冷却体１０の装着やメンテナンスの際に、作業員が手を挿入してそれらの作業ができる程度の大きさ、例えば１００〜２００ｍｍ程度となっている。

一方、被冷却体１０となる磁気センサは、例えば極低温状態で動作するＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）などであり、被検体（生体）から発生する極めて微弱な磁場を計測できるようになっている。このように本実施の形態では、外殻部を構成する外容器１２０の上面には通常のクライオスタットに見られる蓋や配管が無く、計測対象物を配置するのに邪魔にならない構造となっている。

内容器１１０内には、この被冷却体１０を冷却するための寒剤（極低温流体）１１として大気圧沸点が４．２Ｋの液体ヘリウム１１が収容されている。この液体ヘリウムの量は内部設けられた液面計３０によって常時計測されており、その量が既定の範囲に収まるように適宜補給されている。なお、この液面計３０による検出値は、図示しない導線（ケーブル）を介して外部装置に出力されている。

そして、通路１４０を構成する管体１３２の上端は、この寒剤１１が流れ込まないようにその既定の液面の上限よりも高い位置に開口されている。なお、この磁気センサ１０が液体ヘリウム１１に接していない場合でもその温度が既定の値より上がらないよう図示しない熱伝導部材を内容器１１０内に配置することもできる。

外容器１２０の開口部１３０を塞ぐ蓋部１３１には、寒剤１１を供給するためのトランスファーチューブ１５０と、内部で発生した気化ガスを排出するためのガス排出管１６０が接続されている。さらに、この蓋部１３１にはトランスファーチューブ１５０と連通する寒剤供給管１７０と、インサート２００とが一体的に設けられている。

図２はこのインサート２００の内部構造を示す断面図、図３はその外観を示す斜視図である。図示するようにこのインサート２００は、通路１４０を構成する管体１３２と同じ材料、すなわちガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）から構成された円筒状の中空体２１０であり、その内部は真空状態となっている。また、この中空体２１０の内部は複数（図では２つ）の仕切板２２０、２２０によって上下方向に３つの小空間２２１，２２２，２２３に区画されている。

さらに、各仕切板２２０、２２０には、それぞれ小穴２２４が穿孔されており、各小空間２２１，２２２，２２３の間で空気が流通可能となっている。そして、最下段の小空間２２３には、開口部１３０を塞ぐ蓋部１３１を貫通するように排気管２２５と封止弁２２６とが接続されており、この排気管２２５から中空体２１０内を真空引きした後、封止弁２２６を閉じて中空体２１０内を真空状態に維持するようになっている。また、各仕切板２２０，２２０の表面にはアルミニウム箔などの金属箔からなる反射材２２７が貼り付けられていると共に、各小空間２２１，２２２，２２３内には多層断熱材２２８が配置され、さらにガス吸着剤２２９が熱伝導により冷却されるように装着されている。

さらに、この円筒状の中空体２１０の軸心部には貫通孔２３０が形成されており、この貫通孔２３０内を蓋部１３１から延びる寒剤供給管１７０が貫通して設けられている。なお、この寒剤供給管１７０の上端側は、図１に示すようにＵ字形に曲げられて内容器１１０の底面側に臨むように配置されている。

また、図３に示すようにこの円筒状の中空体２１０の外周面には、その周方向に延びる環状のガス流路２１１が上下多段に複数形成されている。これらのガス流路２１１は、図示するように上下に隣接する流路同士で１８０度おきにずらせた連通口２１２で相互に連結されており、内容器１１０からの気化ガスが開口部１３０側に通過するための流路となっている。なお、これらのガス流路２１１は１つのらせん状であってもよい。そして、図２の拡大図に示すようにこの中空体２１０の外周面、すなわちガス流路２１１を区画する凸条部２１３と、通路１４０の壁面との間隙Ｔは０．２ｍｍ以下望ましくは０．１ｍｍ以下になっており、その通路１４０のうちその下半分、すなわち開口部１３０側の空間をほぼ完全に塞ぐ（充填）ように装着されている。

次に、このような構成をした本発明に係るクライオスタット１００の作用を説明する。図１に示すように通路１４０内にインサート２００を装着するように開口部１３０を蓋部１３１で塞いだ後、トランスファーチューブ１５０から寒剤１１を供給すると、この寒剤１１は、トランスファーチューブ１５０と連通する寒剤供給管１７０を通過して内容器１１０内に供給されて被冷却体１０を冷却する。

この冷却に際しては、供給された寒剤１１の一部が気化してガスとなり、内容器１１０内に充満した後、通路１４０を通過して下方、すなわち開口部１３０側へ流れ、その蓋部１３１に形成されたガス排出管１６０を介して外部に排気される。このとき、この通路１４０内が何もない空洞であると、開口部１３０側へ流れたガスが高温（室温）の開口部１３０に達した途端に温められてその温度が高くなってその通路１４０内を上方に移動、すなわち内容器１１０へ戻るような対流現象が発生して内容器１１０への侵入熱が増大することになる。

しかしながら、本発明に係るクライオスタット１００は、この通路１４０内にインサート２００を装着してその空間をほぼ完全に塞ぐようにしたことから、この通路１４０内でのガスの対流現象をほぼ完全に抑制することができる。この結果、高温の開口部１３０からの通路１４０を介した侵入熱を大幅に抑制することができる。

すなわち、内容器１１０で発生したガスはこの通路１４０内に流れ込んでインサート２００に到達すると、図３に示すようにその外表面に形成された最上段の連通口２１２から環状のガス流路２１１へ流れ込み、これに沿って反対側へ流れた後、次の連通口２１２からその下段のガス流路２１１へ流れ込む。以後、このガスはクライオスタット１００外表面に沿ってまんべんなく流れてこれを冷却しつつ最下段の連通口２１２からその下部の開口部１３０に達したならば、その開口部１３０を塞ぐ蓋部１３１に連結されたガス排出管１６０を介して外部に排出される。

このようにインサート２００に達したガスは、その外表面に沿って一方向に流れて開口部１３０から排出されるため、通路１４０内で対流現象が発生することがなくなって開口部１３０からの浸入熱を効果的に抑制することができる。また、このインサート２００を中空体２１０で構成すると共にその内部を真空状態にとし、さらにその内部に反射材２２７や多層断熱材２２８を設けた構造となっているため、インサート２００を介した侵入熱も確実に防止することができる。

また、このインサート２００を通路１４０内に着脱自在にすると共に、通路１４０の口径を作業員の手が入る大きさにしたため、内容器１１０内の被冷却体１０の交換作業や簡単なメンテナンスなどを行う際には、開口部１３０を開くと共にインサート２００を取り外すだけで、わざわざ外容器１２０を分解したりその真空引きを繰り返すことなく、それらの作業を容易かつ迅速に行うことができる。

また、インサート２００の外面と通路１４０の壁面との間隙Ｔを０．２ｍｍ以下にしたことにより、通路１４０内へのインサート２００の装着を容易に行えると共にその間隙Ｔのガスの流れを防止できるため、その間隙Ｔからのガスの逆流などによる侵入熱を確実に抑制することができる。さらに、このインサート２００と通路１４０を構成する管体１３２の材質を同一としたため、温度変化に伴う両者の熱変形差を極小とすることができる。なお、本実施の形態では、通路１４０の下半分のみの空間をインサート２００で塞ぐようにしたが、その通路１４０の全体をインサート２００で塞ぐような構造にしてもよい。

次に、本発明に係るクライオスタット１００の他の実施形態を示す。先ず、図４および図５は第１の変形例を示したものである。図示するように本実施の形態では、インサート２００の軸心部に形成された貫通孔２３０を貫通管２３１とガイド管２３２との二重管構造とし、内側のガイド管２３２内に寒剤供給管１７０を通過させると共に、そのガイド管２３２と貫通管２３１との環状空間２３３に、各種の導線Ｃを通過させるように配置したものである。

より具体的に説明すると、このインサート２００は外容器１２０の開口部１３０を塞ぐ蓋部１３１に貫通管２３１を介して一体化されている。そして、この貫通管２３１の内側のガイド管２３２に、内容器１１０に寒剤１１を導入する寒剤供給管１７０が上段シール２４０を介して挿入されている。また、このガイド管２３２と貫通管２３１との間に形成される環状空間２３３の上端は、内容器１１０側に解放しており、内容器１１０内に設置された複数の磁気センサや液面計などから延びる多数の導線Ｃが取り込まれ、外容器１２０の外に設けられた導線取出口２５０から外部に取り出されるようになっている。このように構成すれば、内容器１１０内の機器と外部機器とを接続する多数の導線Ｃをすっきりと配線することができる。

また、この環状空間２３３の下端（高温端）には排気管２６０が接続されており、内容器１１０で発生したガスの一部を環状空間２３３を通過させて排気管２６０から排気することでこの環状空間２３３に配置された導線Ｃを効果的に冷却して導線Ｃを介した侵入熱も効果的に抑制できる。また、外部からのトランスファーチューブ１５０は、下段シール２４１および中段シール２４２を有する接続アダプタ２４３を介して寒剤供給管１７０へ連結されているため、内容器１１０内へ寒剤１１を確実に供給できる。なお、この排気管２６０や前述したガス排出管１６０からの排出ガス流量は、その下流側に設けた図示しない制御バルブや流量計によってそれぞれ最適に分配調整可能になっている。

次に、図６は本発明に係るクライオスタット１００の第２の変形例を示したものである。図示するように本実施の形態では、被冷却体１０として超伝導磁石を用いると共に、寒剤１１として大気圧沸点が７７．４Ｋの液体窒素を用い、さらにこの超電導磁石をモーター３００で回転自在に支承したものである。すなわち、外容器１２０の開口部１３０と内容器１１０内を連通する通路１４０には、その全体を塞ぐようにインサート２００が設けれていると共に、そのインサート２００の軸心部には、外容器１２０の下方から内容器１１０内に垂直上方に延びるようにシャフト３１０が軸受３１１および３１２を介して支持されている。

そして、このシャフト３１０の上端には被冷却体１０として超伝導磁石が取りつけられていると共に、その下端にはモーター３００が取り付けられており、このモーター３００を駆動することで内容器１１０内の超伝導磁石がシャフト３１０を軸に回転駆動する構造となっている。このような構造とすれば、本発明のクライオスタット１００を磁気計測装置や磁石回転装置として応用することができる。なお、このようにインサート２００の軸心部にシャフト３１０を設けた場合には、図示するように別経路に寒剤供給管１７０を設け、この寒剤供給管１７０から液体窒素などの寒剤１１を供給できるようにすればよい。

１００…クライオスタット
１０…被冷却体（磁気センサ、超伝導磁石）
１１…寒剤（液体ヘリウム、液体窒素）
１１０…内容器
１２０…外容器
１３０…開口部
１３１…蓋部
１４０…通路
１５０…トランスファーチューブ
１６０…ガス排出管
１７０…寒剤供給管
２００…インサート
２１０…中空体
２１１…ガス流路
２１２…連通口
２２０…仕切板
２２１、２２２、２２３…小空間
３００…モーター
３１０…シャフト
Ｃ…導線
Ｔ…間隙

Claims

被冷却体を寒剤と共に収容する内容器と、当該内容器を収容する外容器とを備えたクライオスタットであって、
前記外容器の底部に開閉自在な開口部を形成すると共に、前記被冷却体に接続される導線および前記寒剤を供給する配管を通過させるべく前記開口部から内容器内に延びる通路を形成し、当該通路内に前記開口部下部の空間をほぼ完全に充填するインサートを着脱自在に装着したことを特徴とするクライオスタット。
請求項１に記載のクライオスタットにおいて、
前記通路の口径は作業員の手が入る大きさであることを特徴とするクライオスタット。
請求項１または２に記載のクライオスタットにおいて、
前記インサートの外面に、その周方向に延びる環状またはらせん状の溝からなるガス流路を形成したことを特徴とするクライオスタット。
請求項３に記載のクライオスタットにおいて、
前記インサートの外面と前記通路壁面との間隙を０．２ｍｍ以下にしたことを特徴とするクライオスタット。
請求項１乃至４のいずれかに記載のクライオスタットにおいて、
前記インサートを中空体から構成すると共に、当該中空体の内部を真空状態にしたことを特徴とするクライオスタット。
請求項５に記載のクライオスタットにおいて、
前記中空体の内部を金属箔で覆った１つまたは複数の仕切板によって上下多段に区画すると共に、区画された各空間内に多層断熱材を充填または吸着剤を配置したことを特徴とするクライオスタット。