JPH01291410A - クライオスタット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、医療分野での核磁気共鳴断層診断装ｆｉ　（
ＮＭＲ−ＣＴ）や分析用、実験用、保冷用の容置等に用
いられる超伝導コイルを備えたクライオスタットに関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来、超伝導コイルを液体ヘリウムにより極低温状態に
冷却し、超伝導磁石として作動させるようにしたクライ
オスタットが公知である。この種のクライオスタットで
は、超伝導コイルを冷１１するために用いられる液体ヘ
リウムが高価であるために、その蒸発型をできるだけ少
なくする必要がある。

そこで、液体ヘリウム槽への熱の侵入量を少なくして液
体ヘリウムの蒸発量を低減するために、たとえば特開昭
６３−２８０８０号公報に示されるように冷凍機を設け
た極低温装置が知られている。この装置は、真空容器の
外部から液体ヘリウム槽内に貫通するパワーリード挿入
用ボートを設【プ、このボートに撚り線により形成され
たパワーリードを挿入し、液体ヘリウム槽内で蒸発した
ヘリウムガスを上記ボート内のパワーリードのまわりお
よび内部に導いてパワーリードを冷部するように構成し
、かつ、真空容器内部で液体ヘリウム槽のまわりに第１
．第２の熱シールドを設けて多重の真空断熱空間を形成
し、各熱シールドに形成した温度ステージにヘリウム冷
凍機のコールドヘッドを熱的に接続するとともに、各熱
シールドを上記パワーリード挿入用ボートに熱的に接続
して同ボートを冷却するように構成されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、この種のクライオスタットにおいて、液体ヘ
リウムの蒸発の要因としては、クライオスタットの外部
（大気温度：　３００Ｋ）からの輻射熱および液体ヘリ
ウム注入ボート等を通じての固体熱伝導による侵入熱と
、超伝導コイルに通電するためのパワーリードを通じて
の固体熱伝導による侵入熱およびパワーリード自身のジ
ュール発熱による侵入熱とが挙げられるが、とくに高磁
場の超伝導コイルで高い出力電流が流れる場合、パワー
リードからの熱の侵入量が非常に大きくなる。

しかしながら、上記従来の装置では、パワーリードから
の熱の侵入量を少なくすることは困難である。すなわち
、従来装置では液体ヘリウム槽内で蒸発したヘリウムガ
スをパワーリード挿入用ボートに導いてパワーリードを
冷却する方式であるため、パワーリードを十分に冷却す
ることはできず、かつ、その冷却時の熱交換によってヘ
リウムガスの蒸発量が増大する傾向にある。しかも、こ
のヘリウムガスの蒸発によって液体ヘリウム槽内の圧力
が無限大に増大するおそれがあり、これを防止するため
に蒸発ガスを逐次外部に排出する必要がある。そのため
にヘリウムガスをパワーリード挿入用ボートに流入させ
、パワーリードに沿って外部に排出するようにしている
が、このヘリウムガスの排出によって液体ヘリウム槽内
の液体ヘリウムが漸減することになる。したがって、液
体ヘリウムを再三補給する必要があり、このクライオス
タットを連続的に使用する場合に大きな障害となる。ま
た、小型のクライオスタットでは、上記ボートから排出
した蒸発ガスを回収せずに大気に放出する場合が多く、
高価なヘリウムガスの損失となり、経済的ロスが大きい
。なお、仮に上記ボートから排出したヘリウムガスをガ
スバッグ等に回収し、それを纏めて再液化するようにし
ても、回収効率が悪く、かつ、再液化のための設備費が
非常に高くつく等の問題がある。

本発明は、このような問題を解消するためになされたも
のであり、ヘリウムガスの蒸発量ならびに損失量をでき
るだけ少なくし、液体ヘリウムを再三充填する必要がな
く、初期充填だけで十分に長時間使用でき、非常に経済
的に用いることができるクライオスタットを提供するこ
とを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的達成のために本発明は、真空容器内に液体ヘリ
ウム槽と超伝導コイルとが収納され、液体ヘリウム槽の
まわりに真空断熱空間が形成されているクライオスタッ
トにおいて、液体ヘリ・クム槽内で蒸発したヘリウムガ
スを再擬縮させる冷凍機を備え、その冷凍機のコールド
ヘッドが液体ヘリウム槽内に臨む配置で設けられている
構成としている。

この構成において、超伝導コイルに通電づるパワーリー
ドを真空容器および液体ヘリウム槽に設けられたパワー
リード挿通穴に挿通させて超伝導コイルに接続するとと
もに、このパワーリードと上記各挿通穴との間を気密に
シールさせ、かつ、液体ヘリウム槽内の圧力を１〜１．
４ａｔｍに保持する調圧手段を設けておくのが望ましい
。

また、真空断熱空間内に熱シールドを設け、この熱シー
ルドを真空容器に付設された熱シールド用冷凍機のコー
ルドヘッドとパワーリードとに熱的に接続すれば、−層
効果的である。

なお、パワーリードは、そのパワーリードと上記挿通穴
とのシール部およびパワーリードと熱シールドとのサー
マルアンカ部のみを部分的にソリッド線により形成し、
他の大部分を撚り線や編み線により形成してもよいが、
上記シール部のシール性およびサーマルアンカ部の熱伝
導性を考慮すれば、パワーリード全体をソリッド線によ
り形成するのが最も効果的である。

〔作　用〕

上記構成のクライオスタットによれば、液体ヘリウム槽
内で液体ヘリウムが蒸発しても再凝縮用冷凍機によって
直ちに再凝縮される。これにより液体ヘリウムの蒸発な
らびに損失が大幅に抑制され、液体ヘリウムを再三充填
する必要がなくなり、初期充填だけで十分に長時間使用
でき、非常に経済的に用いられる。

〔実施例〕

第１図は本発明にかかるクライオスタットの実゛施例を
示す要部の概略断面図である。このクライオスタットは
真空容器１内に第１熱シールド２、第２熱シールド３、
液体ヘリウム槽４が所定間隔で収納されて多重構造に構
成され、これら真空容器１と、各熱シールド２．３およ
び液体ヘリウム槽４との間にそれぞれ断熱空間１１．１
２．１３が形成されている。

液体ヘリウム槽４内には超伝導コイル６が収納され、真
空容器１から液体ヘリウムＷＩ４に貫通して設けられた
液体ヘリウム注入ボート４１から液体ヘリウム槽４内に
液体ヘリウムＬＨｅが注入され、超伝導コイル６が液体
ヘリウムＬＨｅに浸漬されている。

このクライオスタットにおいて、第１熱シールド２およ
び第２熱シールド３はたとえば後述する真空引きのため
の小孔を備えた軽量で熱伝導のよいアルミ板等によって
形成され、その表面および液体ヘリウム槽４の表面等に
多層断熱材（Ｓｌ：スーパーインシュレーション）５が
貼着される。

これによって各断熱中ｆ２１１１１．１２．１３が互い
に連通されており、その外側断熱空間１１に連通して真
空容器１の外部に設けられた真空ボート（図示省略）か
ら真空引きされ、各断熱空間１１゜１２．１３が真空状
態に保持されている。

上記第１熱シールド２および第２熱シールド３を冷に１
するために熱シールド用冷凍Ｉ１７が真空容器１の外部
所定箇所に取付けられている。この冷凍ｔ１７は第１熱
シールド用と第２熱シールド用の２個のコールドヘッド
７１．７２を備え、各コールドヘッド７１．７２が上記
各熱シールド２．３に設けられた温度ステージ２１．３
１に熱的に接続されている。

一方、液体ヘリウム槽４内で蒸発したヘリウムガスＧ　
Ｈｅを再ｌ）縮するために真空容器１の外部所定箇所に
再凝縮用冷凍機８が取付けられ、この冷凍機８のコール
ドヘッド８１が、真空容器１から液体ヘリウム１１１４
に貫通して設けられた再凝縮用ボート４３に挿入されて
液体ヘリウムｍ４内に臨むように配置されている。

超伝導コイル６には外部から通電するためのパワーリー
ド６１が接続され、このパワーリード６１が液体ヘリウ
ム槽４、各熱シールド３，２および真空容器１を貫通し
て外部に配線されている。

パワーリード６１は断面円形または角形のソリッド線で
形成され、パワーリード６１と、真空容器１および液体
ヘリウム１４に設けられたパワーリード挿入穴との間に
は電気絶縁材料製のシール材６２．６３が設けられて気
密にシールされ、そのシール部から真空断熱空間１１．
１２．１３および外部にヘリウムガスが８１洩しないよ
うに構成されている。なお、パワーリード６１は上記シ
ール部および後述するサーマルアンカ部に対応する部分
のみをソリッドに形成して他の大部分を撚り線または編
み線で形成してもよいが、上記のようにソリッド線で形
成することにより、シール部の気密性およびサーマルア
ンカ部の熱伝導性を容易に高めることができるので好都
合である。

熱シールド用冷凍機７に熱的に接続された各熱シールド
２．３は、液体ヘリウム注入ボート４１を形成する管状
体４２ならびに再凝縮用ボート４３を形成する管状体４
４およびパワーリード６１の各中間部にそれぞれ熱的に
接続されてサーマルアンカ２２．２３．２４および３２
．３３．３４を取っている。パワーリード６１とサーマ
ルアンカ部２４．３４との間には電気絶縁材６４．６５
が介在されている。電気絶縁材６４．６５の材質として
は電気絶縁性がよく、かつ、熱伝導率もよい材料たとえ
ばＡＱＮ（窒化アルミ）が用いられる。また、電気絶縁
材６４．６５の装着手段としてはスリーブ式でもよいし
、銅製のソリッドのパワーリード６１の表面にイオンブ
レーティングにより蒸着する方式でもよい。

ところで、熱シールド用冷凍機７には一般的なヘリウム
冷凍機が使用され、その冷却能力（温度）はたとえば第
１コールドヘツド７１が８０に以下、第２コールドヘツ
ド７２が２０に以Ｆに設定される。これにより第１熱シ
ールド２が８０Ｋに、第２熱シールド３が２０Ｋにそれ
ぞれ冷矩される。

上記クライオスタットによれば、外気温が３００にであ
るのに対し、内部において、まず第１熱シールド２によ
り中温（８０Ｋ）まで冷却され、次いで第２熱シールド
３により低Ｕ　（２０Ｋ）に冷却され、さらに液体ヘリ
ウム槽４内の液体ヘリウムＬＨｅにより極低温（４，２
Ｋ）まで冷却されることになる。そして、上記真空断熱
空間１１゜１２．１３と、各熱シールド２．３等に貼着
された多層断熱材５と、各熱シールド２，３による冷却
作用とにより外部からの輻射熱の侵入が低減される。さ
らに、各熱シールド２，３に対し各ボート用管状体４２
．４４およびパワーリード６１にそれぞれサーマルアン
カ２２．２３．２４および３２．３３．３４を取ってい
るので、これらの管状体４２．４４およびパワーリード
６１も冷却され、固体熱伝導による熱の侵入も低減され
る。

ここで、とくに問題となるのはパワーリード６１からの
熱侵入である。今、外部から熱伝導によりパワーリード
６１を伝わってくる熱侵入はをＱＣ、パワーリード６１
のジュール発熱による熱侵入はをＱｊとすると、その熱
侵入量の和Ｑ（Ｑｃ＋Ｑｊ）が最小値になるように予め
パワーリード６１の長さＱおよび径（断面積：Ａ）を設
計しておけばよい。

因みに、第２図に示すように、真空容器１と各熱シール
ド２，３および液体ヘリウム槽４との間におけるパワー
リード６１の長さをＱｔ　、　Ｑ２　。

Ｑ３とし、その間の各部の断面積をＡ１．Ａ２　。

Ａ３とした場合、たとえばパワーリード６１に１００Ａ
＋７）電流を流すとして、第２熱シールド３（温度：　
２ＯＫ）から液体ヘリウム槽４（同＝４゜３Ｋ）への熱
侵入量Ｑ　（Ｑｃ＋Ｑｊ　）を求めると第３図に示す通
りであり、このときの最小値を示すパワーリード６１の
大きさＱ／Ａは１００〜２００の間にあることが分る。

したがって、Ｑ１／Ａ１＝１００として、Ａ１＝０．７
８５ｃａｌ（直径：１．０Ｏ１）とすれば、Ｑ１＝７８
．５１が望ましい値となる。以下、同様にしてパワーリ
ード６１の各区間の温度差（８０に→２ＯＫ１３００に
→８０Ｋ）に応じて熱侵入ｆｆ１Ｑ　（Ｑｃ＋Ｑｊ　）
を求めるとともに、各区間の長さＱ２　、Ｑ３および断
面積Ａ２、Ａ３を設定すればよい。これによってパワー
リード６１からの熱侵入部が大幅に低減され、液体ヘリ
ウムしＨｅの蒸発量が大幅に低減される。

次に、長時間の使用により液体ヘリウム槽４内の液体ヘ
リウムし１−１８が蒸発した場合、そのヘリウムガスＧ
Ｈｅが液体ヘリウム［４内に臨む再凝縮用冷凍８１８の
コールドヘッド８１により直・ちに冷却され、再凝縮さ
れる。

この再凝縮時において、再凝縮用冷凍機８には一般に冷
却能力（温度）が４．３にの周知のヘリウム冷凍機が使
用される。この場合、液体ヘリウムＬ　Ｈｅの大気中に
おける沸点が４．２にであるので、上記４．３にのコー
ルドヘッド８１でも、−旦蒸発したヘリウムガスＧＨｅ
を再凝縮できるようにするために、液体ヘリウム槽４内
の圧力をある程度高圧にする必要がある。

第４図は液体ヘリウムＬ　Ｈｅの沸点Ｔ（再凝縮温度：
Ｋ）と、圧力Ｐ（ａｔｌ）との関係を示している。この
クライオスタットにおいて、下限は負圧になると、装置
としてのシール構造が複雑となるので、Ｐ≧１　ａｔ＋
＋＋とするのが望ましい。また、冷却の方から見れば、
上限臨界点すなわちＰｃ−２，２４５ａｔｍ　、Ｔｃ＝
５．２０Ｋまで使用可能であるが、液体ヘリウムＬ　Ｈ
ｅの温度は被冷却体つまり超伝導コイル６の要求温度に
よって決まるので、実用上は次の値で十分である。

Ｐ＝　１．０〜１．４ａｔａ＋ Ｔ−４，２〜４．６に そして、液体ヘリウム槽４内の圧力を上記の圧力Ｐ＝１
．０〜１．４ａｔｍに保持すルｉｃ　メ１．：、液体ヘ
リウム注入ボート４１の開口部に圧力調整弁やラブチャ
ディスク等の調圧手段４５が設けられている。この調圧
手段４５により液体ヘリウム槽４内の圧力が上記所定の
圧力Ｐ　（１，０〜１．４ａｔＩｍ）に適正に保持され
、万一異常高圧が発生した場合、増大した蒸発ガスＧＨ
ｅがこの調圧手段４５より外部に安全に放出され、液体
ヘリウム槽４内の圧力の異常上昇が抑えられる。これに
より再凝縮用冷凍機７として４．３にの周知のヘリウム
冷凍機の使用が可能となり、コストダウンを図ることが
できる。また、この冷凍機７のコールドヘッド７１によ
り液体ヘリウム槽４内で蒸発したヘリウムガスＧ　ｌ−
１ｅが直ちに再凝縮され、その蒸発量が大幅に低減され
るとともに、液体ヘリウムＬＨｅの損失量が少なくなり
、液体ヘリウムＬＨｅによる冷却作用が長時間適正に発
揮され、超伝導コイル６が極低温状態に保持され、超伝
導磁石として長時間適正に機能することになる。

ところで、上記クライオスタットにおいて、液体ヘリウ
ム槽４内で蒸発したヘリウムガスＧＨｅは同種４の上部
に集まるので、第５図に示すように液体ヘリウム槽４の
上部で再凝縮用ボート４３の基端部に収集用ポケット部
４６を設け、ここで再凝縮するように構成すれば、再凝
縮効率を向上できる。なお、ポケット部４６は下床がり
の円錐状または角錐状に形成してもよい。

また、第６図に示すように再凝縮用冷凍機８のコールド
ヘッド８１に傘状のエレメント８２を付設することによ
り、先端表面積を大きくして再凝縮効率を高めることが
できるとともに、いわゆる液切れをよくすることができ
る。

上記実施例では熱シールド用冷凍機７と、再凝縮用冷凍
機８とを別個に設けたが、１個の冷凍機にたとえば３個
のコールドヘッドを設けて熱シールド用と再凝縮用とを
兼用させるように構成してもよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明のクライオスタットによれば、液体
ヘリウム槽内で液体ヘリウムが蒸発しても再凝縮用冷凍
機によって直ちに再凝縮できる。

これにより液体ヘリウムの蒸発量ならびに損失量を大幅
に低減でき、液体ヘリウムを再三充填する必要がなくな
り、初期充填だけで十分に長時間使用でき、非常に経済
的に用いることができる。

また、請求項２のようにパワーリードと、真空容器およ
び液体ヘリウム槽に設けられたパワーリード挿通穴との
問を気密にシールさせ、かつ、液体ヘリウム構内の圧力
を調圧手段により１〜１゜４　ａｔｌｌｌに保持するこ
とにより、冷却能力（温度）が４．３にの重数のヘリウ
ム冷凍機でヘリウムガスを効率よく再凝縮でき、設備費
の低廉化が可能となる。

さらに、請求項３のように真空断熱空間で、熱シールド
用冷凍機に接続された熱シールドを介してパワーリード
を直接冷却することによってパワーリードからの熱の侵
入量を少なくでき、液体ヘリウムの蒸発を一層効率よく
抑制できる。

また、請求項４のようにソリッドタイプのパワーリード
を用いることにより、パワーリード挿通部のシール性を
向上でき、その挿通部から外部へのヘリウムガスの漏洩
を確実に防止でき、ヘリウムガスの損失をさらに少なく
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるクライオスタットの実施例を示
す要部の概略断面図、第２図はパワーリードにサーマル
アンカを取るための説明図、第３図はパワーリードの大
きさとその侵入熱との関係を示す図、第４図はヘリウム
ガスの再凝縮のための温度と圧力との関係を示ず図、第
５図は再凝縮ボートの別の実施例を示す要部断面図、第
６図はす要部断面図である。 １・・・真空容器、２・・・第１熱シールド、３・・・
第２熱シールド、４・・・液体ヘリウム槽、５・・・多
層断熱材、６・・・超伝導コイル、７・・・熱シールド
用冷凍磯、８・・・再凝縮用冷凍機、１１．１２．１３
・・・真空断熱空間、２１．３１・・・温度ステージ、
２２．２３゜２４．３２，３３．３４・・・サーマルア
ンカ、４１・・・液体ヘリウム注入ボート、４３・・・
再凝縮ボート、６１・・・パワーリード、６２．６３−
・・シール林、７１・・・第１熱シールド用コールドヘ
ツド、７２・・・第２熱シールド用コールドヘツド、８
１・・・再凝縮用コールドヘッド。 特許出願人　　　　株式会社神戸製鋼所代　理　人　　
　　弁理士　　小谷悦司同　　　　　　弁理士　　長１
）正 向　　　　　　弁理士　　伊膝孝夫 第　　２　　図 第　　３　　図 、！／Ａ（ｃｍ／ｃｍ”）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空容器内に液体ヘリウム槽と超伝導コイルとが収
   納され、液体ヘリウム槽のまわりに真空断熱空間が形成
   されているクライオスタットにおいて、液体へリウム槽
   内で蒸発したヘリウムガスを再凝縮させる冷凍機を備え
   、その冷凍機のコールドヘッドが液体ヘリウム槽内に臨
   む配置で設けられていることを特徴とするクライオスタ
   ット。 ２、超伝導コイルに通電するパワーリードが真空容器お
   よび液体ヘリウム槽に設けられたパワーリード挿通穴に
   挿通されて超伝導コイルに接続されるとともに、このパ
   ワーリードと上記各挿通穴との間が気密にシールされ、
   かつ、液体ヘリウム槽内の圧力を１〜１．４ａｔｍに保
   持する調圧手段が設けられていることを特徴とする請求
   項１記載のクライオスタット。 ３、真空断熱空間内に熱シールドが設けられ、この熱シ
   ールドが真空容器に付設された熱シールド用冷凍機のコ
   ールドヘッドとパワーリードとに熱的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載のクライオスタ
   ット。 ４、パワーリードがソリッド線により形成されているこ
   とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のクラ
   イオスタット。