JPH0471137B2

JPH0471137B2 -

Info

Publication number: JPH0471137B2
Application number: JP57196001A
Authority: JP
Inventors: Norimoto Matsuda; Minoru Imamura; Norihide Saho
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-11-10
Filing date: 1982-11-10
Publication date: 1992-11-12
Also published as: JPS5986870A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、クライオスタツトに係り、特に超電
導マグネツト等の冷却に好敵な冷凍機付クライオ
スタツトに関するものである。

〔従来の技術〕

従来のクライオスタツト、例えば超電導マグネ
ツト冷却用のクライオスタツトは第１図に示すよ
うなものが一般的であつた。

第１図は、クライオスタツトの例として超電導
マグネツトを用いた核磁気共鳴装置（通常NMR
と呼ばれている。）を示す。１はクライオスタツ
ト本体である真空容器、２は真空容器１の円筒、
３を超電導マグネツト、４は超電導マグネツト３
を超電導領域まで冷却可能な低温液体、例えば、
液体ヘリウムを収納した液体ヘリウム槽、５は液
体ヘリウム槽４への熱侵入を低減させるための熱
シールドの役目をする熱シールド体、例えば、液
体窒素槽、６は液体ヘリウム供給管、７は液体窒
素シールド管、８は液体ヘリウム供給管６の保護
管、９は液体窒素供給管、１０は液体窒素供給管
９の保護管である。また、真空容器１内の液体ヘ
リウム槽４および液体窒素槽５への外部からの熱
侵入を少なくするため、真空に保持されている。

第２図は従来のクライオスタツトにおける液体
ヘリウムおよび液体窒素の供給状況を説明するも
のである。１１は液体ヘリウム容器、１２は液体
ヘリウム供給用のトランスフアーチユーブでクラ
イオスタツトの液体ヘリウム供給管６に接続して
ある。１３は液体窒素容器、１４は液体窒素供給
用のトランスフアーチユーブでクライオスタツト
の液体窒素供給管９に接続してある。

次に従来のクライオスタツトの作用について説
明すると、まず液体窒素容器１３からトランスフ
アーチユーブ１４、液体窒素供給管９を経て液体
窒素槽５内に輻射シールド用の液体窒素を充填す
る。次いで超電導マグネツト３を収納してある液
体ヘリウム槽４の中を予冷し（予冷は液体窒素で
行い、その後予冷に使用した液体窒素を回収する
のが一般的である。）、液体ヘリウム容器１１から
トランスフアーチユーブ１２、液体ヘリウム供給
管６を経て液体ヘリウム槽４内に液体ヘリウムを
充填して使用可能状態とする。

充填終了後は、トランスフアーチユーブ１２，
１４を抜いて、液体ヘリウム供給管６、液体窒素
供給管９の先端にそれぞれ蒸発ガスを逃がすため
のガス抜き栓をはめる。

液体ヘリウム槽４に液体ヘリウムが供給される
と槽内のマグネツトは超電導状態になつて超電導
マグネツト３として作用し始める。

このような従来のクライオスタツトにおいて
は、外部からの熱侵入（伝導および輻射による。）
のため液体窒素や液体ヘリウムの蒸発が多くな
り、液体窒素や液体ヘリウムの充填を頻繁に行わ
ねばならず、運転の継続が煩雑になる上、ガス代
が主体になることからランニングコストが高くな
りすぎるという欠点があつた。特に輻射シールド
槽（液体窒素槽５）における液体窒素は蒸発が多
く、充填頻度が１週間に１度と多くなり、また、
液体ヘリウムも１〜２カ月に１度の充填は避けら
れないのが実情であつた。

なお、この種に関するものとしては、例えば、
特開昭57−47167号公報が挙げられる。これは、
ヘリウム冷凍装置の第２の容器に冷却ステージを
設け、第３の容器内の蒸発ヘリウムガスを液化す
る冷媒用ヘリウムガスを冷却ステージで冷却する
ことにより、効率を高め、装置の小型軽量化を図
つたものである。これは液体窒素、液体酸素等で
冷却される熱シールドである第２の容器の寒冷を
利用して冷媒用ヘリウムガスを冷却し、冷凍機の
能力を小さくして、冷凍装置全体を小型・軽量化
するようにしたものであつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、クライオスタツトにおいて、
シールドガスの再液化が可能となり、効率的な熱
シールドを行うとともに、液化ガスの定期的な供
給を必要としない冷凍機付クライオスタツトを提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、被冷却体を収納した液化ガス槽を囲
んで温度の異なる複数段の熱シールド体を真空容
器内に収納して設け、真空容器に寒冷発生装置を
設けて、寒冷発生装置の発生する寒冷によつて熱
シールド体を冷却することにより、シールドガス
の再液化が可能となり、効率的な熱シールドを行
うとともに、液化ガスの定期的な供給を不要にし
たものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図および第４図
によつて説明する。第３図は冷凍機付きクライオ
スタツトを示し、クライオスタツトは、この場
合、被冷却体が超電導マグネツトで、被冷却体を
冷却する低温液体が液体ヘリウムで、熱シールド
体が複数の低温液体槽でなるクライオスタツトを
例に述べる。第３図において、第１図と同一部分
は同一符号で示し、説明を省略する。

５ａは液体ヘリウム槽４の周りを囲む第２輻射
シールド、５ｂは第２輻射シールド５ａの周りを
囲む第１輻射シールドである。６は液体ヘリウム
槽４へつながる液体ヘリウム供給管、７は液体ヘ
リウム供給管６を囲む第２シールド管、１５は第
２シールド管７を囲む第１シールド管、１６は第
１シールド管１５を囲んで真空容器１に取り付け
た液体ヘリウム供給管６の保護管である。１７は
第２輻射シールド５ａに貯蔵する低温液体（例え
ば沸点27〓の液体ネオン）の供給管、１８は供給
管１７を囲むシールド管、１９はシールド管１８
を囲んで真空容器１に取り付けた供給管１７の保
護管である。２０は輻射シールド５ｂに貯蔵する
低温液体（例えば沸点77〓の液体窒素）の供給
管、２１は真空容器１に取り付けた供給管２０の
保護管である。

２２は寒冷発生源である冷凍機の第１段膨張
機、２３は冷凍機の第２段膨張機である。２４は
第１段熱交換器、２５は第２段熱交換器、２６は
第１段熱交換器２４と第２段熱交換器２５との間
につながり第１段膨張機２２に熱的接触した第１
段コールドステーシヨン、２７は第２段熱交換器
２５と減圧弁２８との間につながり第２段膨張機
２３に熱的接触した第２段コールドステーシヨン
である。２９は第２輻射シールド５ａを冷却する
ための冷却手段で、この場合は、低温液体が侵入
熱によつて帰化するのを再液化するための熱交換
器、３０は第１輻射シールド５ｂを冷却するため
の冷却手段で、この場合は、低温液体が侵入熱に
よつて帰化するのを再液化するための熱交換器で
ある。

３１は冷凍機の第１段膨張機２２および第２段
膨張機２３を往復動させるための駆動装置、３２
は膨張機２２，２３側および熱交換器２４，２５
側に冷媒ガス、この場合、ヘリウムガスを供給す
るための圧縮機である。また、第１輻射シールド
５ｂは第１段膨張機２２に熱的に接触して取付け
てある。

第４図に膨張機２２，２３周りの詳細を示す。

３３は内部に第１段蓄冷器室３８（例えば熱容
量の大きい銅金網等を用いた蓄冷器を収納したも
の）を形成し、第１段シリンダ４６内に移動可能
に嵌挿して第１段膨張室４１を形成した第１段デ
イスプレーサで、ロツドを介して往復駆動され
る。３４は第１段デイスプレーサ３３と一体また
はピン結合により形成され、内部に第２段蓄冷器
室４２（例えば熱容量が大きく、第１段蓄冷器よ
りも充填密度を大きくするため鉛球等を用いた蓄
冷器を収納したもの）を形成し、第２段シリンダ
４７内に移動可能に嵌挿して第２段膨張室４４を
形成した第２段デイスプレーサである。

３８は第１段デイイスプレーサ３８内と第２段
デイスプレーサ３４内とを連通した連絡孔、４０
は連絡孔３９と第１段膨張室４１とを連通した吹
出孔、４３は第２段デイスプレーサ３４内と第２
段膨張室４４とを連絡した吹出孔、３７は第１段
デイスプレーサ３３の外周に設けたガス導入溝３
６より第１段蓄冷器室３８に通じる導入孔であ
る。３５はガス供給管、４５はガス戻り管、４８
は高圧流路である。

なお、この場合の寒冷発生装置は膨張機２２，
２３および駆動装置３１から成る冷凍機、熱交換
器２４および２５、ジユールトムソン弁２８、熱
交換器２９および３０から構成される。

次に、このように構成されたクライオスタツト
の動作、作用について説明する。

圧縮機３２から吐出された高圧のヘリウムガス
は、一体のデイスプレーサ３３，３４が下方にあ
るときに、ガス供給管３５、第１段膨張機２２の
デイスプレーサ３３の高温端側に設けられたガス
導入溝３６、導入孔３７を経て蓄冷器室３８に送
られ、連絡孔３９、吹出孔４０を通つて第１段膨
張室４１に供給される。同時に連絡孔３９を通つ
た高圧ヘリウムガスは、第２段膨張機２３のデイ
スプレーサ３４の蓄冷器室４２に送られ、吹出孔
４３を通つて第２段膨張室４４に供給される。

第１段膨張室４１、第２段膨張室４４に供給さ
れた高圧ヘリウムガスは、デイスプレーサ３３，
３４が上方に移動する過程で断熱膨張し、寒冷を
発生する。

デイスプレーサ３３，３４がさらに移動して上
端付近に達すると、ガス導入溝３６が圧縮機３２
の低圧吸込ラインに連結されたガス戻り管４５に
つながり、第１段膨張室４１、第２段膨張室４４
内のガスは蓄冷器室３８，４２を通つて蓄冷材を
冷却しながら圧縮機３２の低圧吸込ラインに戻り
はじめ、デイスプレーサ３３，３４が下降する過
程で排気を終る。

そして、再びデイスプレーサ３３，３４が下端
付近にきてガス導入溝３６がガス供給管３５とつ
ながると、圧縮機３２からの高圧ガスが蓄冷器室
３８，４２に送られる。蓄冷器室３８，４２では
すでに蓄冷材が膨張ガスによつて冷却されている
ため、入つてきた高圧ガスがこれと熱交換して冷
却されながら第１段膨張室４１、第２段膨張室４
４に供給される。冷却されて供給された高圧ガス
は、続く段熱膨張でさらに低温になり、蓄冷器室
３８，４２の中の蓄冷材を冷却しながら排気され
る。

同様に作用を繰り返すことによつて蓄冷器室３
８，４２の温度は降下し、それにつれて第１段シ
リンダ４６、第２段シリンダ４７の先端部の温度
も降下する。

一方、圧縮機３２から供給される高圧のヘリウ
ムガスの一部は、第１段熱交換器２４の高圧流路
４８に供給され、第１段熱交換器２４の中を通る
過程で対向して流れる低圧低温のヘリウムガスで
冷却されて、第１段コールドステーシヨン２６に
送られる。ここでは第１段シリンダ４６の先端部
が膨張機２２の作用によつて冷却されているた
め、そのまわりに配管をコイル状に巻きつけた第
１段コールドステーシヨン２６も冷却されてお
り、そこを通過する過程で高温ヘリウムガスも冷
却される。

第１段コールドステーシヨン２６を出た後は、
第２段熱交換器２５の高圧流路を通り、第２段コ
ールドステーシヨン２７に送られる。第２段コー
ルドステーシヨン２７も同様に第２段シリンダ４
７の先端部温度が膨張機２３の作用によつて冷却
されているため、そこを通過する過程で高圧ヘリ
ウムガスも冷却される。

第２段コールドステーシヨン２７を出た後に減
圧弁２８で減圧されて断熱膨張し、さらに低温の
ヘリウムガスとなつて熱交換器２９に入る。ここ
では第２輻射シールド５ａの中の低温液体が侵入
熱によつて気化するので再液化する。その後、第
２段熱交換器２５の低圧流路を通り、ここで高圧
ガスの冷却を行いながら低圧ガス自身は温度上昇
して第１輻射シールド５ｂの中に設置してある熱
交換器３０に入り、ここで第１輻射シールド５ｂ
の中の低温液体が侵入熱によつて気化するので再
液化する。熱交換器３０を出た低圧ガスは、第１
段熱交換器２４の低圧流路を通つてガス戻り管４
５を経て圧縮機３２に戻る。

また、低圧ガスは、第２段熱交換器２５および
第１段熱交換器２４の低圧流路を通る過程におい
て、対向して流れる高圧ガスを冷却する働きをす
る。

また、第１輻射シールド５ｂは、第１段膨張機
２２によつても冷却される。

以上、本一実施例によれば、77〓レベルと27〓
レベルの２重の輻射シールドを設けることによつ
て液体ヘリウム槽４への侵入熱（すなわち、液体
ヘリウムの蒸発量）を従来方式の約1/5程度に低
減できるので、液体ヘリウムの充填頻度を６〜９
カ月に１度と大幅に減少することができる。すな
わち、被冷却体を収納した液化ガス槽への侵入熱
を大幅に低減できる。また、各輻射シールド５
ａ，５ｂの冷却を小型ヘリウム冷凍機で行うよう
にしているので、液体窒素の充填作業をなくすこ
とができる。これらにより、ランニングコストを
低減できる。

なお、侵入熱低減の根拠は次のとおりである。
従来の場合の侵入熱Q₁は、 Q₁＝qr＋qc …(1) ここに、 qr：輻射による侵入熱 qc：伝導による侵入熱で表わされ、輻射シールド５の温度が77〓で、液
体ヘリウム槽４の温度が4.2〓であるから、 qr＝Kr・（77⁴＋4.2⁴）≒Kr・77⁴ qc＝Kc・（77−4.2）＝Kc・72.8 …(2) である。これに対して本一実施例の場合の侵入熱
Q₂は、 Q₂＝qr′＋qc′ …(3) ここに、 qr′：輻射による侵入熱 qc′：伝導による侵入熱で表わされ、 qr′＝Kr・（27⁴−4.2⁴）≒Kr・27⁴ qc′＝Kc・（27−4.2）＝Kc・22.8 …(4) なお、伝達距離は1/2になるから qc′＝Kc・（22.8×２）＝Kc・45.6 …(5) ところで、現状ではqr：qc≒２：１であるか
ら、(1)式に(2)式を代入し、また、(3)式に(4)、(5)式
を代入し、Q₂／Q₁を求めれば、 Q₂／Q₁＝（27／77）⁴×0.67＋45.6／72.8×0.33 ＝0.01＋0.206＝0.217 …(6) となる。これより侵入熱が約1/5になることがわ
かる。

次に、本発明の他の実施例を第５図により説明
する。

第５図は本発明の一実施例を示した第３図に相
当する側断面図で、第３図と同一部分は同じ符号
で示し、ここでは説明を省略する。第５図におい
て、前記一実施例と異なる点は、第２輻射シール
ド５ａおよび第１輻射シールド５ｂの一部をそれ
ぞれ第２段膨張機２３の第２段コールドステーシ
ヨン２７および第１段膨張機２２の第１段コール
ドステーシヨン２６に直接接触させて冷却するよ
うにした点である。

本実施例によれば、膨張機２２，２３の据付時
の接触さえ良好にしておけば、温度レベルの異な
る膨張機２２，２３でそれぞれの輻射シールド５
ｂ，５ａを最適に冷却できるので、前記一実施例
と同様の効果を得ることができる。また、熱交換
器を用いずに輻射シールドを冷却できる。これに
より熱交換器が不要となり、全体構造を大幅に簡
略化できるという新たな効果がある。

なお、本実施例では熱シールド体として液体窒
素槽を用いているが、単なる熱シールド板であつ
ても冷凍機の発生する寒冷で冷却可能であり、ラ
ンニングコストを低減できるとともに、被冷却体
を収納した液化ガス槽への侵入熱を大幅に低減で
きることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、クライオスタツトにおいて、
シールドガスの再液化が可能となり、効率的な熱
シールドが行えるとともに、液化ガスの定期的な
供給をなくすことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超電導マグネツトの冷却用クラ
イオスタツトの縦断面図、第２図は第１図のクラ
イオスタツトの使用状態を示す説明図、第３図は
本発明による冷凍機付クライオスタツトの一実施
例を示す縦断面図、第４図は第３図の一部拡大詳
細図、第５図は本発明による冷凍機付クライオス
タツトの他の実施例を示す部分縦断面図である。１……真空容器、２……円筒、４……液体ヘリ
ウム槽、５ａ……第２輻射シールド、５ｂ……第
１輻射シールド、２２……第１段膨張機、２３…
…第２段膨張機、２４……第１段熱交換器、２５
……第２段熱交換器、２６……第１段コールドス
テーシヨン、２７……第２段コールドステーシヨ
ン、２８……減圧弁、２９，３０……熱交換器、
３１……駆動装置、３２……圧縮機。

Claims

【特許請求の範囲】１被冷却体を冷却する液体ヘリウム槽と、該液
体ヘリウム槽の周囲に設けた該液体ヘリウム槽へ
の侵入熱を低減させるための輻射シールドと、前
記液体ヘリウム槽と前記輻射シールドとを収納す
る真空容器とからなるクライオスタツトにおい
て、前記輻射シールドを独立させて２重に形成し、
該独立したそれぞれの輻射シールドに液化ガス槽
を設け、該それぞれの液化ガス槽内に沸点が異な
り外側の液化ガス槽内に沸点の高い液化ガスを充
填し、該充填したそれぞれの液化ガスの冷却・液
化をヘリウム冷凍機を用いて真空容器内で行う構
成としたことを特徴とする冷凍機付クライオスタ
ツト。２前記ヘリウム冷凍機は、２段式膨張機と二つ
の熱交換器とによつて構成してあり、該二つの熱
交換器を結ぶヘリウムガス回路の一部に二つの凝
縮熱交換器を設け、該二つの凝縮熱交換器はそれ
ぞれ前記それぞれの輻射シールド用の液化ガス槽
内に設置した特許請求の範囲第１項記載の冷凍機
付クライオスタツト。３前記ヘリウム冷凍機は、２段式膨張機を用い
て構成してあり、該それぞれの膨張機の先端部と
前記それぞれの輻射シールド用の液化ガス槽とは
それぞれ熱的に直接接触させた特許請求の範囲第
１項記載の冷凍機付クライオスタツト。