JPH04292762A - 低ノイズ冷凍機付きクライオスタット - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導体を内蔵した冷
凍機付きクライオスタットに係り、特に冷凍機を搭載し
ながら低電気低磁気ノイズで、超電導体にノイズを与え
ず、又、超電導体から発生する大きな磁場中で冷凍機の
運転を可能にした小型軽量な低ノイズ冷凍機付きクライ
オスタットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の冷凍機付きクライオスタット、特
に、特開昭６１−３０８２８６号公報に記載されている
科学分野で使用する分析計測用の核磁気共鳴装置（以下
、単にＮＭＲ装置と称す。）には、均一な高磁界を得る
ため超電導マグネット（以下、単にマグネットと称す。 ）を使用する。そのため、このマグネットを冷却収納す
る真空断熱したクライオスタットが必要である。マグネ
ットは超電導状態を保つため、極低温の冷媒、例えば液
体ヘリウムに浸漬して冷却する。液体ヘリウムは、クラ
イオスタットの常温の真空容器からクライオスタット内
に浸入する熱で徐々に蒸発するため、定期的に液体ヘリ
ウムを注入補充する必要がある。この液体ヘリウムの蒸
発量を低減すれば、液体ヘリウムの消費量は低減し、運
転コストは大幅に低減する。このため、クライオスタッ
トに冷凍機等を取り付け、真空容器から侵入する熱を冷
凍機の寒冷で吸収し、液体ヘリウムの蒸発量を低減する
手段が取られる。

【０００３】この冷凍機は一般に電動モータ駆動の往復
動式の膨張機タイプなので、運転中に電気ノイズが生じ
、これが、マグネットの均一磁場を乱し、分析計測を不
可能にする。また、マグネットの均一磁場が大きくなる
と冷凍機設置空間の磁場も高まり、冷凍機の駆動用電気
モータが回転できなくなって冷凍運転できず、液体ヘリ
ウムの消費量は大幅に増加する。このため、冷凍機の電
動モータ常温設置部の囲りに鉄製の磁気シールドキャッ
プをかぶせてモータの磁気ノイズのキャップ外への漏れ
を防止したり、該キャップで外部磁場が電動モータ設置
空間内に漏れ込むのを防ぐ構造となっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の構造で
は、特に磁場強度が１．０テスラ以上のクライオスタッ
トでは、冷凍機の頭部に鉄製の磁気シールドキャップを
設けていた。しかし、極低温部まで含めた冷凍機全体を
鉄製の磁気シールドキャップで被うことができないため
、特に、膨張シリンダ部から電動モータの磁気ノイズが
キャップ外に漏れ出したり、外部磁場がキャップ内に漏
れ込んで、マグネットの均一磁場を乱したり、逆にキャ
ップ内に外部磁場が漏れ込んで電動モータが正常に回転
できなくなり、冷凍機の冷凍性能がダウンしたり、スト
ップしたりして、液体ヘリウムの蒸発量が増加したりす
る等の問題があった。

【０００５】また、冷凍機をオーバホール等で取りはず
す場合、キャップが磁場に引き付けられたり、冷凍機の
電動モータ部が磁場に引き付けられ、作業者がキャップ
に当ったり、クライオスタットの真空槽にキャップが当
り真空が破壊される等の危険が生じる問題があった。ま
た、キャップ設置スペースが必要で、クライオスタット
が大型化し、それだけ重量が増加するという問題があっ
た。

【０００６】本発明の目的は、冷凍機の駆動に非電気的
駆動手段を用いることにより、電磁に低ノイズで、かつ
、液体ヘリウムの蒸発量の少ない小型軽量の冷凍機付き
クライオスタットを提供することを目的とする。また、
該駆動手段を非磁性体で構成し、磁気シールドキャップ
を不用にし、安全な冷凍機交換作業を行える冷凍機付き
クライオスタットを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、非電気的、非磁気的駆動手段としてガス圧
で駆動する、例えば、エアモータを使用した冷凍機をク
ライオスタットに装着したものである。すなわち、本発
明の冷凍機付きクライオスタットは、被冷却体及び被冷
却体を冷却する冷凍機の低温端を断熱槽に納めたもので
あって、冷凍機の駆動手段にエアモータを使用し、冷凍
機の作動流体であるヘリウムガスの圧力差を利用して、
エアモータを回転させ、この回転力を使用して、冷凍機
のディスプレーサの駆動及び、ディスプレーサの上下運
動に同期した作動ガスの給排気を制御する制御弁を駆動
することを特徴とする。尚、エアモータの構成部品を非
磁性体で製作したもので構成することが望ましい。

【０００８】

【作用】上記の構成によれば、冷凍機を駆動するエアモ
ータは運転中に電磁ノイズを発生しないので、クライオ
スタット内のマグネットで発生する計測用の静磁場が電
磁ノイズで乱されることがなく、計測精度の低下を防止
できる。逆に、マグネットで発生する高い磁場でエアモ
ータの運転が乱されないので、冷凍機を正常に運転でき
、冷凍機の冷凍性能の低減を防止することができる。

【０００９】また、エアモータの構造部品を非磁性体で
製作すれば、移動する部品内に過電流の発生が防止され
、さらに電磁ノイズの発生を減少させることができる。

【００１０】また、冷凍機の常温部を覆う鉄製の磁気シ
ールドキャップを設ける必要がないので、冷凍機の交換
作業が安全で容易となり、かつ、クライオスタットの小
型・軽量化が可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明のいくつかの実施例を、図面を
参照して説明する。 （第１実施例）図１は、被検体が入る大気に導通した磁
場強度が１．０テスラ以上の空洞部１を中心部に有する
クライオスタットの断面図である。その内部に被冷却体
で空洞部内に静磁場を発生する超電導マグネット２を貯
蔵する液体ヘリウム３、この液体ヘリウム３を貯蔵する
液体ヘリウム槽４、複数温度レベル（実施例では約７０
Ｋと約１５Ｋの２温度レベル）の他の被冷却体である熱
シールド筒５，６を内蔵し、真空容器７で大気と隔離さ
れ内部を断熱処理、例えば、積層断熱材８を巻き付け真
空断熱している。

【００１２】冷凍機、例えば、ソルベイ式やギフォード
・マクマホン式の冷凍装置は、ガス加圧源の圧縮機ユニ
ット９と冷凍機であるピストン往復動式の膨張機１０、
及び、両者を連通する高圧配管１１と低圧配管１２とか
ら成る。膨張機１０の低温部は、クライオスタット内に
挿入され、温度約７０Ｋに冷却した第１ステージ１３と
温度約１５Ｋに冷却した第２ステージ１４を、銅鋼等の
弾性伝熱体１５，１６を介して熱シールド筒５，６に一
体化している。

【００１３】クライオスタット外側に、断熱槽以外の構
成部材である磁性体、例えば、鉄製の磁気シールド１７
を設置して漏えい磁界を小空間内に留めている。膨張機
１０はフランジ１８を介して磁気シールド体１７に、結
合手段、例えば、ボルトで完全締結されているとともに
、弾性支持手段のベローズ１９、及びフランジ１８を介
して真空容器７に一体化されている。

【００１４】図２、図３は、本実施例で使用した冷凍機
の断面図である。圧縮機９の吐出側の高圧配管１１は冷
凍機１０のケーシング２０に設けに給気口２１を通じ回
転弁２２を介して高圧流体流路２３、高温側室２４、ピ
ストン２５ａ，２５ｂの給排口２６、蓄冷器２７ａ，２
７ｂ、細孔２８ａ，２８ｂ及び低温膨張室２９ａ，２９
ｂに連絡している。回転弁２２には、吸入口３０により
給気口２１と低置膨張室２９ａ，２９ｂを高圧流体流路
２３に通じ導通させ、ピストン２５ａ，２６ｂ内に高圧
流体を吸入させるように、回転弁２２の回転位置によっ
て、低圧流体流路３１と排気導入孔３２，３３と導通し
、低温膨張室２９ａ，２９ｂ内の高圧作動流体が低圧側
に排気される。

【００１５】一方、所定の寒冷を発生させるためには、
高圧、低圧作動流体の吸入、排出に同期化させて、ピス
トン２５ａ，２５ｂを該軸方向に上下運動、すなわち、
ピストン運動させて、低温膨張室２９ａ，２９ｂの容積
を可変とする必要がある。該ピストン運動を行わしめる
ためには、圧力室３４の圧力を回転弁２２を介し該弁の
回転位置により、給気孔３５及び排気孔３６をそれぞれ
給気口２１及び排気孔３７、排気口３８に導通させる。 すなわち、圧力室３４と、低温膨張室２９ａ，２９ｂの
圧力差によって、ピストン２５ａ，２５ｂはピストン運
動する。

【００１６】ここで、高温側室２４と低温膨張室２９ａ
，２９ｂ及び高温側室２４と圧力室３４は、それぞれシ
ールリング３９，４０でシールされている。また、低温
膨張室２９ａ，２９ｂ内で発生した寒冷は、シリンダ２
６下部に一体化された弾性熱伝導体１５，１６を冷却し
、熱シールド筒５，６を所定の温度に冷却する。また、
ケーシング２０、フランジ４１及びシリンダ４２は、シ
ールリング４３で膨張機内外をシールして、ボルト４４
で一体化されている。

【００１７】弁駆動機構は、ハウジング４５、回転リン
グ４６、シャフト４７、シャフトに連結された回転弁継
手４８及びフライホイール４９、ベーン５０、ベーン押
えのためのスプリング５１、上フランジ５２、下フラン
ジ５３、給気口５４、排気口５５ａ，５５ｂから構成さ
れる。シャフト４７の回転中心軸と、回転リング４５の
形状中心軸とは半径方向に寸法ｈだけずれている。給気
口５４から作動流体の１部がハウジング４５と回転リン
グ４６、スプリング５１でシャフト軸心方向に押えられ
たベーン５０及び上下フランジ５２，５３で仕切られた
高圧室５６に吸入される。

【００１８】このとき、排気口５５ａ及びケーシング壁
に設けられた排気口５５ｂ、回転速度制御用の圧縮機吸
入側の低圧配管１２に導通した低圧室５７内の圧力と高
圧室５６内の圧力差によって、回転リング４６は、該リ
ングの形状中心がシャフト４７の回転軸を中心として半
径ｈの円弧を描きながら反時計方向に回転する。ベーン
５０と回転リング４６との接点がハウジング４５の内円
５８の円周上に達した時、すなわち、低圧室５７の容積
が最小、高圧室５６の容積が最大になった時、高圧室５
６は排気口５５ａに導通し、低圧室に転じて弁駆動のた
めの作動流体は圧縮機９の吸入側の低圧配管１１に戻る
。次に給気口５４より新らたな作動流体が高圧室５６に
流入し、高圧室４１の容積が最小の状態から、回転リン
グ４６が回転しながら増加しはじめ、シャフト４７の回
転運動が連結する。シャフト４７に直結されたフライホ
イール４９は、シャフト４７の回転を安定させるため設
けられている。

【００１９】ここで、給気口２１側の室５９と、フライ
ホイール４９側の室６０とは連通孔６１で通じており、
シャフト４７に軸方向に作用する圧力差を軽減している
。また、上下フランジ５２，５３の周方向に設けたシー
ルリング６２は、室５９，６０内と低圧室５７とをシー
ルし、回転リング４６の回転駆動力を低減させないため
にある。ハウジング４５と、上下フランジ５２，５３は
一体化され、通気孔６３を有する支持フランジ６４でフ
ランジ４１に固定されている。

【００２０】このように、シャフト４７に回転弁継手４
８を介して、かつ、スプリング６５で軽くフランジ４１
に軸方向に押しつけられた回転弁２２は、回転リング４
５の回転と同期して回転し、作動流体の低温膨張室２９
ａ，２９ｂへの吸入、排気に同期し、ピストン２５ａ，
２５ｂが上下運転して良好な寒冷発生運動を行わせる。 なお、シャフト４７の回転数は、高圧室５６と低圧室５
７の圧力差によって調整することができ、本実施例では
低圧室５７内の圧力を圧力調整弁６６で制御している。

【００２１】エアモータはガス圧の連続的な変化で運動
するので、脈動の少ないスムースな運転が可能となり、
運転振動騒音の少ない冷凍機向きクライオスタットを実
現できる。また、エアモータとしては、ギア式、斜板式
のガスモータを適用してもよい。また、冷凍機は、水平
横置き、又は下向きに配置してもよい。

【００２２】本実施例によれば、冷凍機の弁駆動はガス
モータによって行なわれるので、冷凍機の運動に際して
、冷凍機から電磁ノイズの発生が全く無い。したがって
、空洞部１内の磁場の乱れがなく、精密な測定が可能と
なる。また、逆に、超電導マグネット２の発生する磁場
により、冷凍機の運転が支障をきたすことがなく、安定
的に熱シール筒を所定の温度に冷却でき、液体ヘリウム
の蒸発量を最小に抑えることができる効果がある。

【００２３】（第２実施例）冷凍機のエアモータの部品
を高分子材やセラミックスやアルミニウム合金等の非磁
性材料で製作すれば、構成部品が磁場分布のある空間内
を移動しても渦電流が発生しないので、冷凍機の運転中
も電磁ノイズを部品から発生することがなく、さらに高
精度な測定が可能であるとともに、より安定な冷凍運転
を継続できる効果がある。

【００２４】（第３実施例）本発明の他の実施例を図４
に示す。図４は冷凍機の部分断面図である。本実施例で
は、エアモータのガス給気口５４を上フランジ５２側に
設ける。ケーシング２０の上部に、ガス吸入口６７を設
け、ヘリウムガス圧縮機ユニット９内の圧縮機６８の吐
出側に設けた第１油分離フィルタ６９と第２油分離フィ
ルタ７０の間の配管と、配管７１で導通している。通常
、圧縮機６８は油潤滑式のロータリィ式、往復動式、ス
クロール式圧縮機を使用するので、極低温の冷凍機に給
気する前に、ガス中に混入した油分を分離する必要があ
り、ユニット内には、第１、第２油分離フィルターを設
ける。第１油分離フィルタ６９内には、グラスファイバ
等を充てんした多段のフィルタがあり、ほとんどの油分
はこのフィルタで分離される。第２油分離フィルタ７０
内には活性炭等が充てんしてあり、ガス中の油分はこの
活性炭に吸着され、クリーンなヘリウムガスが高圧配管
１１内に供給される。冷凍機のエアモータに供給される
高圧のヘリウムガスは、若干の油分を含んでおり、この
油分で、エアモータの摺動部の潤滑を行えるので、エア
モータの信頼性、寿命を大幅に向上させることができる
。

【００２５】なお、Ｏリング６２のシール機能により、
ガス中の油分が、冷凍機給気側に混入するのを防止して
いる。また、圧力調整弁６６を配管７１の途中に配置し
ても、エアモータの回転数制御を行うことができる。ま
た、エアモータを１個独立の機器として、それ自身で耐
圧、気密性を確保し、エアモータ内と配管７１を直接一
体化すれば、さらに、エアモータ駆動ガス中の油分が冷
凍機給気側に混入するのを防止することができる。

【００２６】（第４実施例）図５に本発明の他の実施例
を示す。図５は冷凍機の部分断面図である。本実施例で
は、エアモータの駆動ガス圧縮機７２を冷凍機内のヘリ
ウム圧縮機ユニット９とは別に設けている。ガス圧縮機
７２は圧縮ガスを給気口６７に配管７３を介して供給し
、排気口５５ｂから配管７４を通じてエアモータ内通過
後のガスを吸気する。本実施例によれば、エアモータ駆
動ガスに、ヘリウムガス以外の、例えば、安価な窒素ガ
スを用いることができるので、運転コストが安くなる効
果がある。

【００２７】また、空気を使用すれば、配管７４を取り
除き、エアモータ内通過後のガスは大気に放出できるの
で、機器製造コストも低減できる。また、ヘリウムガス
を使用すれば、冷凍機の運転の変動に伴う圧縮機ユニッ
トのガス圧変動が生じる場合でも、エアモータのガス圧
は一定に保持できるので、エアモータの回転数、発生ト
ルクが安定的に発生でき、冷凍機の冷凍量を安定的に供
給できるので、冷凍機の信頼性がさらに向上する効果も
ある。

【００２８】また、本実施例では冷凍機にソルベイサイ
クルを用いて説明したが、この冷凍機はギフォード・マ
クマホン、ビルマイヤー、スターリングサイクル等の機
種であっても同様な効果を生じる。

【００２９】一方、本実施例では、核磁気共鳴装置で使
用する超電導マグネットを被冷却体として説明したが、
被冷却体がジョセフソン原子機器、各種センサ、超電導
発電機等の回転超電導マグネット等であっても同様の効
果を生じる。

【００３０】また、本実施例では冷凍機を熱シールド筒
冷却用として使用した場合について説明したが、ジュー
ル・トムソン弁と、熱交換器をこれに組合せてヘリウム
液化機としてクライオスタットに装着する場合において
も、同様な効果を得ることができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、冷凍機を非磁気的、非
電気的な駆動手段で駆動し運転できるので、冷凍機運転
中に磁気的、電気的なノイズを発生せず、クライオスタ
ット内の計測用磁場空間及び電気処理空間がノイズによ
って乱されるとがない。したがって、計測精度及び電気
処理精度の低下を防止することができる。また、逆にマ
グネットで発生する高い磁場で該駆動手段の運転が乱さ
れないので、冷凍機を正常に運転でき、冷凍機の冷凍性
能の低減を防止できるので、クライオスタットの液体ヘ
リウムの蒸発量を低減できる。また、冷凍機の常温部に
鉄製の磁気シールド体を設ける必要がないので、冷凍機
交換作業を安全でかつ容易にし、クライオスタットを小
型・軽量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の冷凍機付きクライオス
タットを示す断面図である。

【図２】本実施例に用いた冷凍機の断面図である。

【図３】図２のア−ア断面図である。

【図４】本発明の第３の実施例の冷凍機部分を示す断面
図である。

【図５】本発明の第４の実施例の冷凍機部分を示す断面
図である。

【符号の説明】

１　　空洞部　　　　　　　　　　　　２　　超電導マ
グネット　　　　３　　液体ヘリウム ４　　液体ヘリウム槽　　　　５，６　　熱シールド槽
　　　　７　　真空容器 ８　　積層断熱材　　　　　　　　９　　圧縮機ユニッ
ト　　　　　　１０　　膨張機（冷凍機） １１　　高圧配管　　　　　　　　１２　　低圧配管　
　　　　　　　　　１３　　第１ステージ １４　　第２ステージ　　　　１５，１６　　弾性伝熱
体　　１７　　磁気シールド １８　　フランジ　　　　　　　　１９　　ベローズ　
　　　　　　　　　２０　　ケーシング ２１　　給気口　　　　　　　　　　２２　　回転弁　
　　　　　　　　　　　２３　　高圧流体流路 ２４　　高圧側室　　　　　　　　２５ａ，２５ｂ　　
ピストン２６　　給排口　　　　　　　　　　２７ａ，
２７ｂ　　蓄冷器２８ａ，２８ｂ　　細孔　　２９ａ，
２９ｂ　　低温膨張室３０　　吸入口　　　　　　　　
　　３１　　低圧流体流路　　　　　　３２，３３　　
排気導入孔 ３４　　圧力室　　　　　　　　　　３５　　給気孔　
　　　　　　　　　　　３６，３７　　排気孔 ３８　　排気口　　　　　　　　　　３９，４０　　シ
ーリング　　４１　　フランジ ４２　　シリンダ　　　　　　　　４３　　シーリング
　　　　　　　　４４　　ボルト ４５　　ハウジング　　　　　　４６　　回転リング　
　　　　　　　４７　　シャフト ４８　　回転弁継手　　　　　　４９　　フライホイー
ル　　　　５０　　ベーン ５１　　スプリング　　　　　　５２　　上フランジ　
　　　　　　　５３　　下フランジ ５４　　給気口　　　　　　　　　　５５ａ，５５ｂ　
　排気口　　５６　　高圧室 ５７　　低圧室　　　　　　　　　　５８　　内円　　
　　　　　　　　　　　　５９，６０　　室 ６１　　連通孔　　　　　　　　　　６２　　シーリン
グ　　　　　　　　６３　　通気孔 ６４　　支持フランジ　　　　６５　　スプリング　　
　　　　　　６６　　圧力調整弁 ６７　　ガス吸入口　　　　　　６８　　圧縮機６９　
　第１油分離フィルタ　　　　　　　　７０　　第２油
分離フィルタ ７１　　配管　　　　　　　　　　　　７２　　駆動ガ
ス圧縮機　　　　７３，７４　　配管

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被冷却体と、該被冷却体を収納する収
   納槽と、該収納槽を納める熱シールド体とを断熱槽内に
   有し、該被冷却体及び／又は該収納槽及び／又は該熱シ
   ールド体を冷却する冷凍手段の低温端を該断熱槽内に設
   けたクライオスタットにおいて、前記冷凍手段の構成要
   素の駆動源として、流体駆動手段を備えたものであるこ
   とを特徴とする低ノイズ冷凍機付きクライオスタット。
2. 【請求項２】　　前記冷凍手段は、往復動式ピストン及
   び蓄冷器を有する冷凍機である請求項１記載の低ノイズ
   冷凍機付きクライオスタット。
3. 【請求項３】　　前記冷凍手段は、ヘリウムガスの液化
   温度以下の寒冷を発生する冷凍機である請求項１記載の
   低ノイズ冷凍機付きクライオスタット。
4. 【請求項４】　　前記被冷却体は超電導マグネットであ
   り、磁場強度が１．０テスラを超えるクライオスタット
   内部又は外部を相互に磁気遮蔽する磁気シールドを備え
   たものである請求項１記載の低ノイズ冷凍機付きクライ
   オスタット。
5. 【請求項５】　　前記冷凍手段の構成要素の駆動源とし
   て、非磁性体で構成した駆動手段を備えたものである請
   求項１記載の低ノイズ冷凍機付きクライオスタット。
6. 【請求項６】　　前記冷凍手段の駆動源は、ガスモータ
   である請求項１ないし５のうちいずれかに記載の低ノイ
   ズ冷凍機付きクライオスタット。
7. 【請求項７】　　被冷却体と、該被冷却体を収納する収
   納槽と、該収納槽を納める熱シールド体とを断熱槽内に
   有し、該被冷却体及び／又は該収納槽及び／又は該熱シ
   ールド体を冷却する冷凍手段の低温端を該断熱槽内に設
   けたクライオスタットにおいて、前記冷凍機はエアモー
   タにより駆動され、該エアモータは該冷凍機の作動流体
   であるヘリウムガスの圧力差を利用して回転し、該冷凍
   機のディスプレーサ、及び該ディスプレーサの上下運動
   に同期した作動ガスの給排気を制御する制御弁は、該エ
   アモータの回転力を使用して駆動されることを特徴とす
   る低ノイズ冷凍機付きクライオスタット。