JPH0482042B2

JPH0482042B2 -

Info

Publication number: JPH0482042B2
Application number: JP61108142A
Authority: JP
Inventors: Keiji Ookuma; Mitsuo Harada; Satoshi Yasuda; Hideaki Saura
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-06-29
Filing date: 1986-05-12
Publication date: 1992-12-25
Also published as: JPS6290910A

Description

【発明の詳細な説明】〓発明の目的〓（産業上の利用分野）本発明は、超電導型磁気共鳴イメージング装置
等に用いる液体ヘリウム浸漬形超電導コイル用ク
ライオスタツト等の極低温装置に関する。

（従来の技術）近年、超電導型磁気共鳴イメージング装置が実
用に供されるに及んで、装置の保守管理等の面か
ら超電導磁石に用いる冷媒である液体ヘリウムの
蒸発量を少なくするために、被冷却体である超電
導コイルを囲む輻射シールド板を冷凍機で冷却す
るようにした構成が検討されてきている。

このような従来の構成にあつて次のような問題
があつた。即ち、冷凍機による冷凍温度は極めて
低くく、空気も固化する温度である。このため
に、冷凍機の作動流体（一般にはヘリウムガス）
中に含まれる不純物が低温下で固化してしまい、
種々のトラブルを発生することがある。また、冷
凍機にはシール部材が設けられているのが一般的
であり、このシール部材の定期交換時に系内に不
純物が回り込んで低温部に達してしまい、その不
純物が低温部で固化することがあり、問題であつ
た。この場合、不純物の固化を解くめには冷凍機
を昇温する必要性があるが、超電導コイルや輻射
シールド板の温度を上げずに固化した不純物だけ
に熱を与えて固化を解くことは困難である。特
に、不純物が水分である場合には、冷凍機を常温
まで上げる必要があり、これに伴い超電導コイル
等も常温近くまで昇温されてしまい、装置運転の
ためには一度昇温した超電導コイルを再冷却しな
ければならず、再冷却のためには所要時間，冷媒
の消費等を初めとして実用に際して種々の支障が
生ずることになる。

（発明が解決しようとする問題点）このように被冷却体を囲む輻射シールド板を冷
凍機により冷却する構成の極低温装置では、冷媒
の蒸発量の低減は実現されるが、冷凍機の設置に
伴つて不純物の進入及びその固化が生じ、不純物
の固化を解くためには昇温が必要となり、一方装
置運転のためには被冷却体の再冷却が必要になる
などして、実用的でなかつた。

そこで本発明の目的は、輻射シールド板や被冷
却体の温度を上げることなく、冷凍機のみを昇温
することができ、冷凍機の修理や保守等を容易且
つ安価に行い得る極低温装置を提供することにあ
るる。

〓発明の構成〓（問題点を解するための手段）本発明は上記問題点を解決し且つ目的を達成す
るために次のような手段を講じたことを特徴とし
ている。すなわち、被冷却体と、この被冷却体が
冷媒と共に収容された容器と、この容器を収容し
た真空容器と、前記容器と真空容器との間に配置
された輻射シールド板と、この輻射シールド板及
び前記容器の内で少なくとも一方を冷却する冷凍
機と、前記輻射シールド板と冷凍機との間及び前
記容器と冷凍機との間の内で少なくとも一方に接
続されこれらの間の熱伝達をオン・オフする熱ス
イツチとを具備してなることを特徴とする。

（作用）このような手段を講じたことにより、通常は熱
スイツチをオンにしておけば、輻射シールド板及
び容器の内の少なくとも一方を十分に冷却するこ
とができ、不純物の固化を解く等のために冷凍機
を昇温する必要のある場合は、熱スイツチをオフ
にすれば、冷凍機と輻射シールド板及び容器の内
の少なくとも一方とが断熱されるので、輯射シー
ールド板及び容器の温度を上げることなく、冷凍
機だけを昇温することができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の一実施例に係る超電導磁石の
概略構成を示す断面図である。図中１１は超電導
コイル（被冷却体）であり、このコイル１１は内
槽容器１３内に充填された液体ヘリウム１２中に
浸漬されている。内槽容器１３は、真空排気され
た真空容器１６内に収容されている。真空容器１
６と内槽容器１３との間には、２段の輻射シール
ド板１４，１５が内槽容器１３を囲むように配置
されている。そして、輻射シールド板１４，１５
はそれぞれ熱スイツチ１７，１８を介して冷凍機
１９に接続されている。

熱スイツチ１７，１８は、第２図に示す如く端
板２１，２２、円筒体２３，２３ａ，〜，２３
ｄ，２４，２４ａ，〜，２４ｄ、ベローズ２５、
FRP（繊維強化プラスチツク）円筒体２６，２７
及び配管２８等で構成されている。即ち、端板２
１は冷凍機９に取付けられ、端板２２は輻射シー
ルド板１４（或いは１５）に取付けられている。
端板２１の端板２２側面には、径の異なる複数の
円筒体（第１の板体）２３がロー付け等により同
軸的に取付けられている。また、端板２２の端板
２１側面には、径の異なる複数の円筒体（第２の
板体）２４がそれぞれ同軸的に取付けられてい
る。なお、円筒体２４ｄは実際には円柱である。
そして、円筒体２３と円筒体２４とは、同軸的に
且つ交互に配列されたものとなつており、各円筒
体２３，２４間の間隔は、約0.5〓mm〓のギヤツ
プとなつている。

また、端板２１，２２間には、ベローズ２５が
接続されており、これにより円筒体２３，２４の
配置される空間は気密に保持されている。上記空
間には、該空間を真空排気或いは該空間にヘリウ
ムガスを導入するための吸排気用の配管２８が導
入されている。また、端板２１，２２間には、ベ
ローズ２５を囲むようにFRP円筒体２６，２７
が固定されている。

このFRP円筒体２６，２７は、端板２１と端
板２２との位置関係を、ひいては円筒体２３と２
４との位置関係を断熱しつつ保持し、もつて円筒
体２３と２４との間のギヤツプを保持するように
している。

ここで、熱スイツチの原理について説明する。
すなわち、熱の伝達には対流，伝導，輻射があ
り、輻射は熱伝達されるべき対象の間隔に関係な
く略一定であり、伝導は間隔に反比例し、狭い隙
間の熱伝達は輻射に比べて桁違いに大きいもので
ある。これを利用することにより熱スイツチとし
ては次の原理Ａ，Ｂ，Ｃが考察できる。

原理Ａとして、良熱伝導性の板体を微少間隙を
介して対向配置し、この間隙に作動媒体として例
えばヘリウムガスを入れたり該間隙を真空排気す
ることにより、各板体間の熱伝達をオン−オフす
ることができる。この原理Ａに基づく熱スイツチ
は、第２図に示される構成のものである。

原理Ｂとして、ガス雰囲気中にあつては密着熱
伝達は比較的大きいことから、輻射のみの真空断
熱では伝熱量が非常に小さい。この原理Ｂを利用
しても、熱スイツチを構成することが可能であ
り、これは後述する第３図に示される構成のもの
である。

原理Ｃとして、対流による伝熱は伝導に比べて
大きな伝熱量を得られるので熱スイツチをオンさ
せる機構として利用できる。特に対流は指向性が
あるため、伝熱する両対象の温度関係が逆転する
と（上方に高温側，下方に低温側となるようにす
る）と温度成層ができ、対流が止まり伝導のみに
よる伝熱となる。伝導は対流に比べて大幅に伝熱
が少なくなるため、対流が起こる、対流が止まる
という関係を利用しても熱スイツチを構成きる。
この原理Ｃは後述する第４図及び第５図に示され
る構成のものである。

ここで、冷媒の沸点として適切なものをえらべ
ば、凝縮，沸騰の熱伝達が利用でき、これは対流
熱伝達と同様の指向性をもち、同様の使い方が可
能であり、且つ対流に比べオン状態でははるかに
優れた熱伝達となり、優れた熱スイツチが構成で
きることになる。

また、輻射シールド板に通常の極低温装置と同
様に、液状冷媒容器や冷媒を流す流路を設けてお
けば、熱スイツチがオフ状態でも輻射シールド板
の冷却を継続することが可能となり、また、輻射
シールド板の初期冷却時、容器に冷媒を入れたり
流路に冷媒を流すことによりその所要時間を短縮
できる。

上述した熱スイツチの原理Ａに基づき且つ第２
図に示したように構成したことにより、熱スイツ
チ１７（或いは１８）の一部を構成する円筒体２
３，２４が配置される空間に作動媒体としてヘリ
ウムを充填したり、該空間を真空排気することに
より、熱スイツチ１７（或いは１８）をオン−オ
フすることができる。即ち、上記空間にヘリウム
ガスを導入することにより、円筒体２３，２４間
がヘリウムガスの熱伝導で伝熱し、これにより熱
スイツチ１７がオンする。また、上記空間を真空
排気すると、円筒体２３，２４間は輻射による微
少な伝熱のみとなり、これにより熱スイツチ１７
がオフすることになる。

従つて、通常は熱スイツチ１７，１８をオン状
態としておけば、輻射シールド板１４，１５を十
分に冷却することができる。そして、例えば冷凍
機１９内の不純物の固化を解くくため等の何等か
の要因で、冷凍機１９を昇温する必要のある場合
は、熱スイツチ１７，１８をオフにする。この場
合、冷凍機１９と輻射シールド板１４，１５とが
断熱されるので、輻射シールド板１４，１５及び
超電導コイル１１の温度を上げることなく、冷凍
機１９の修理や保守を容易に行うことができる。

第３図は他の実施例の要部構成を示す断面図で
ある。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点
は、熱スイツチの構成にある。即ち、この実施例
の熱スイツチは、第３図に示す如く端板３１、容
器３２、板体３３，３６、ロツド３４、ベローズ
３５、ガイド３７及び配管３８等から構成されて
いる。端板３１の上面は前記冷凍機１９に取付け
られ、容器３２の下面は前記輻射シールド板１４
（或いは１５）に取付けられている。端板３１の
下面には、ロツド３４を介して第１の板体３３が
固定されている。ロツド３４は容器３２の上壁を
なす第２の板体３６の中央開口を貫通して容器３
２内に導入され、第１の板体３３は容器３２内に
配置されている。第２の板体３６の中央開口には
ガイド３７が固定されており、このガイド３７に
沿つてロツド３４が進退自在に移動するものとな
つている。

端板３１の下面と第２の板体３６の上面との間
には、ベローズ３５が取付けられており、このベ
ローズ３５により前記第１の板体３３の配置され
る空間が気密に保持されるものとなつている。そ
して、この空間には配管３８が導入されるものと
なつている。なお、図中３６ａは、第２の板体３
６に設けられた貫通孔である。

上述した熱スイツチの原理Ｂに基づき且つ第３
図に示したように構成したことにより、上記空間
内にヘリウムガスを導入すると、ヘリウムの圧力
によりベローズ３５が伸び、第１及び第２の板体
３３，３６が接触する。このため、板体３３，３
６間はガス中の面接触熱伝達で伝熱することにな
り、熱スイツチがオンする。一方、上記空間を真
空排気すると、ベローズ３５が縮んで板体３３，
３６が離れると共に、これらの空間が真空状態に
なる。このため、板体３３，３６間は輻射による
微少な伝熱ののみとなり、これにより熱スイツチ
はオフすることになる。

従つて本実施例によれば、先の実施例と同様に
熱スイツチ１７，１８により、冷凍機１９と輻射
シールド板１４，１５との間を断熱或いは伝熱さ
せることができ、先の実施例と同様の効果が得ら
れる。

第４図は、また他の実施例の要部構成を示す断
面図である。この実施例が先に示した実施例と異
なる点は、やはり熱スイツチの構成にある。即
ち、この実施例の熱スイツチは第４図に示す如
く、端板４１、筒４２、端板（板体）４３、板体
４４、配管４５から構成されている。端板４１
は、前記冷凍機１９に取付けられており、端板
（板体）４３は、前記輻射シールド板１４（ある
いは１５）に取付けられている。そして端板４１
は端板４３より上に位置している。板体４４は端
板４１にロー付等により固着してある。

上述した熱スイツチの原理Ｃに基づき且つ第４
図に示したように構成したことにより、配管４５
より作動媒体を送り込むと、板体４４上で凝縮
し、液となり板体４３上で沸騰しガスとなる。こ
の沸騰と凝縮により温度の高い板体４３から温度
の低い板体４４へ熱は伝えられる。なお、端板４
１を端板４３より上に配してあるので、板体４３
上で沸騰した蒸気が上に上昇し板体４４に達し、
板体４４上で凝縮した液が下方に落下し、板体４
３に達する形で自然対流することになる。

なお、作動媒体は板体４３，４４で決定される
温度領域で、気液２相状態である必要がある。よ
つて、−200℃付近で使用するのであれば窒素を用
い、−250℃付近で使うのであれば水素というよう
に、その温度レベルによつて適切な作動媒体を選
ぶ必要がある。

この状態で、板体４４の温度を上げて板体４３
の温度より高くなると、前記自然対流は停止し、
板体４４と板体４３の間の空間にあるガスは温度
成層を形成し、熱伝導のみにより伝達する。板体
４４、板体４３の間の距離を充分とれば熱伝導に
よる伝熱を充分小さくすることができる。つま
り、板体４４の温度が板体４３より低い時はオン
し、板体４４の温度が板体４３より高い時はオフ
となる熱スイツチを構成できる。また、配管４５
より作動媒体を真空排気してしまえば媒体４４と
板体４３の温度関係によらず熱スイツチはオフさ
れてしまう。

第５図は第４図に示した実施例の変形例であ
る。板体５４の設けられた容器５１と、板体５３
の設けられた容器５２を別々に構成し、両者を配
管５６，５７で接続した構成である。

上述した熱スイツチの原理Ｃに基づき且つ第５
図に示したように構成したことにより、容器５１
と容器５２との相対的位置の僅かな変動は、配管
５６，５７の変形で吸収できるため、容器５１を
冷凍機１９に、板体５３を前記輻射シールド板１
４（あるいは１５）に強固に取付けても冷凍機１
９と輻射シールド板１４（あるいは１５）の相対
的置ずれを吸収できる。

また、容器５１と容器５２とを接続するものが
細い配管５６，５７となるためオフ時の伝熱量を
小さくできる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定される
ものではない。

例えば、第２図に示す実施例における板体は円
筒体に限るものではなく、第１及び第２の板体間
で十分大きな対向面積を有するものであればよ
い。例えば、第１及び第２の板体として、並行に
並べた板材を用い、それらが交互に微少隙間を介
して配置した構成、放射状に配した板材を用い、
それらが交互に微少隙間を介して配置した構成で
もよい。

さらに、板体間のギヤツプは0.5〓mm〓に何等
限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更
可能である。また、前記第３図に示す実施例にお
ける板体の密着及び切離しの手段は必ずしもガス
圧に限るものではなく、機械的駆動によつてもよ
い。

また、第４図、第５図に示す構成は、共に原理
Ｃに基づくものであるがその形状は図示のものに
限定するものではない。

なお、作動媒体は、ヘリウムに限定するもので
はなく、仕様に応じて窒素，アルゴン，ネオン，
又は水素等を用いてよく、その形態も気体（ガ
ス），液体，気体液体の２相体，気体固体の２相
体，液体固体の２相体，気体液体固体の３相体，
又はこれらのように明確な相変化のない超臨界圧
状態というように流動性をもつものであればその
仕様を特定するものではない。また、定常的な使
用温度では固体となるがそれより少し温度を上げ
れば流動性をもつ状態になるものも作動媒体とし
て使用できる。特に、第４図に示す実施例では気
液２相となるものを例示したが、基本的にはその
自然対流を利用できれば良いのであり、気体のみ
の単相は言うに及ばず前記したあらゆる形体の流
動性のある作動媒体が利用可能である。

第６図は作動媒体の使い方の実施例を示す図で
あり、被冷却体として超電導コイルであつて、超
電導型磁気共鳴イメージング装置等に用いる液体
ヘリウム浸漬形超電導コイル用クライオスタツト
の断面図である。ここで、超電導コイル１１を冷
却している液体ヘリウム１２は蒸発して内槽容器
３より出て、ペント管６０，配管６１，弁６２を
通つて大気に放出される。この配管６１を分岐さ
せ、弁６３，配管６４，弁６５ａ，６５ｂを介し
て熱スイツチ１７，１８に、作動媒体となるヘリ
ウムガスを供給するようになつている。

この構成によれば、作動媒体を別途用意する必
要がなくなり、スイツチの動作を簡便に行えるよ
うになる。弁６６はスイツチをオフする時排気す
るためのライン用である。このように、スイツチ
動作媒体を極低温装置で使用している冷媒から供
給を受ければ、取扱いがさらに簡便になる。な
お、従来の装置で使用されているようなシールド
冷却用の冷媒液溜めや冷却配管を輻射シールド板
に付加することは冗長度を増し、使用上の選択枝
が増えることになり、むしろ好ましい。

さらに、本発明は第７図に示すように、輻射シ
ールド板１４，１５に加えて内槽容器１３と冷凍
機１９とを熱スイツチ７１を介して熱的に接続し
た構成としてもよい。この場合、輻射シールド板
１４，１５のいずれか一方と冷凍機１９とを熱ス
イツチ１７又は１８を介して熱的に接続した構成
としてもよい。

また、被冷却体としては超電導コイルに限ら
ず、極低温下に冷却する必要のあるものに適用す
ることが可能である。その他、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で、種々変形して実施することがで
きる。

〓発明の効果〓以上詳述したように本発明による極低温装置
は、被冷却体と、この被冷却体が冷媒と共に収容
された容器と、この容器を収容した真空容器と、前記容器と真空容器との間に配置された輻射シー
ルド板と、この輻射シールド板及び前記容器の内
で少なくとも一方を冷却する冷凍機と、前記輻射
シールド板と冷凍機との間及び前記容器と冷凍機
との間の内で少なくとも一方に接続されこれらの
間の熱伝達をオン・オフする熱スイツチとを具備
してなる構成である。

この構成によれば、通常は熱スイツチをオンに
しておけば、輻射シールド板及び容器の内の少な
くとも一方を十分に冷却することができ、不純物
の固化を解く等のために冷凍機を昇温する必要の
ある場合は、熱スイツチをオフにすれば、冷凍機
と輻射シールド板及び容器の内の少なくとも一方
とが断熱されるので、輻射シールド板及び容器の
温度を上げることなく、冷凍機だけを昇温するこ
とができる。

従つて、本発明によれば、冷凍機の修理や保守
等を容易に行うことができ、さらに被冷却体の再
冷却に要する費用の大幅な低減をはかり得る、実
用上極めて有益な極低温装置が提供できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超電導磁石の
概要構造を示す断面図、第２図は上記装置の要部
構成を示す断面図、第３図は他の実施例の要部構
成を示す断面図である。第４図は本発明のさらに
他の実施例の要部構成を示す断面図、第５図はそ
の変形例の要部構成を示す断面図、第６図は本発
明の具体的使用例をす断面図、第７図は本発明の
他の実施例として第１図に示す構成の変形例を示
す断面図である。１１……超電導コイル（被冷却体）、１２……
液体ヘリウム、１３……内槽容器、１４，１５…
…輻射シールド板、１６……真空容器、１７，１
８，７１……熱スイツチ、１９……冷凍機、２
１，２２……端板、２３，２４……円筒体（板
体）、２５，３５……ベローズ、２８，３８……
配管、３３……第１の板体、３６……第２の板
体、４１……端板、４２……筒、４３……端板
（板体）、４４……板体、４５……配管、５１，５
２……容器、５３，５４……板体、５５，５６，
５７……配管、６０……ベント管、６１．６４…
…配管、６２，６３，６５，６６……弁。

Claims

【特許請求の範囲】１被冷却体と、この被冷却体が冷媒と共に収容
された容器と、この容器を収容した真空容器と、
前記容器と真空容器との間に配置された輻射シー
ルド板と、この輻射シールド板及び前記容器の内
で少なくとも一方を冷却する冷凍機と、前記輻射
シールド板と冷凍機との間及び前記容器と冷凍機
との間の内で少なくとも一方に接続されこれらの
間の熱伝達をオン・オフする熱スイツチとを具備
してなることを特徴とする極低温装置。２前記熱スイツチは、前記冷凍機側に接続され
る良熱伝導性の第１の板体と前記輻射シールド板
側に接続される良熱伝導性の第２の板体とを微小
間隙を隔てて対向配置し、第１及び第２の板体の
間隙に作動媒体を入れることにより各板体間が作
動媒体の熱伝導で伝熱（オン）し、前記間隙を真
空排気することにより各板体間が輻射による微少
な伝熱のみ（オフ）となる構成であることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の極低温装置。３前記第１及び第２の板体は、径の異なる複数
の円筒体を用い、これらの円筒体は同軸的に配置
され、且つ第１の板体としての円筒体と第２の板
体としての円筒体とが交互に配置されて構成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
載の極低温装置。４前記第１及び第２の板体は、並行に並べた板
材を用い、それらが交互に微少隙間を介して配置
されて構成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第２項記載の極低温装置。５前記第１または第２の板体は、放射状に配し
た板材を用い、それらが交互に微少隙間を介して
配置されて構成されていることを特徴とする特許
請求の範囲第２項記載の極低温装置。６前記熱スイツチは、前記冷凍機側に接続され
る良熱伝導性の第１の板体と前記輻射シールド板
側に接続される良熱伝導性の第２の板体とを対向
配置し、第１及び第２の板体を密着すると共に該
板体間に作動媒体を充填することにより各板体間
が作動媒体中の面接触熱伝達で伝熱（オン）し、
第１及び第２の板体を離すと共に該板体間を真空
排気することにより各板体間が輻射による微少な
伝熱のみ（オフ）となる構成であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の極低温装置。７前記熱スイツチは、前記冷凍機側に接続され
る熱伝導性の第１の板体を前記輻射シールド板に
接続される熱伝導性の第２の板体より相対的に上
または同等の高さに配置し、その間に作動媒体を
入れることにより自然対流で熱が第２の板体より
第１の板体に運ばれ伝熱（オン）し、その間を真
空排気することにより輻射のみによる微少な伝熱
のみ（オフ）となる構成であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の極低温装置。８前記熱スイツチは、前記冷凍機側に接続され
る熱伝導性の第１の板体を前記輻射シールド板に
接続される熱伝導性の第２の板体より相対的に上
に配置し、その間に作動媒体を入れることによ
り、冷凍機の温度が輻射シールドの温度より低い
ときに自然対流で伝熱（オン）し、冷凍機の温度
が輻射シールドの温度より高いときに伝導のみ
（オフ）となる構成であることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の極低温装置。９前記熱スイツチは、その動作を行わせる作動
媒体が、前記被冷却体を冷却している冷媒と同一
であつて、前記容器への冷媒供給系から供給され
る構成であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の極低温装置。