JPH0510900U - 低温容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 首管内を流れる蒸発ヘリウムガスの低温を有
効に利用して液体ヘリウム槽への熱侵入を抑制し、ヘリ
ウム蒸発量を効果的に削減する。 【構成】 液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム槽１４
から延設された首管１４ａが、この液体ヘリウム槽１４
を収容する真空容器２０に固定されたクライオスタット
等の低温容器において、上記首管１４ａ内に、この首管
１４ａの長手方向に沿って延びる螺旋状のバッフル４２
を設け、このバッフル４２にこのバッフル４２よりも輻
射率の小さい材料からなる輻射シールド板４８を設け
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、クライオスタット、特に超電導マグネット用クライオスタット等に 有用であり、液体ヘリウムや液体窒素等の低温物質を収容する低温容器に関する ものである。

【０００２】

【従来の技術】

近年、超電導マグネットが核磁気共鳴分析装置（以下、ＭＲＳ装置と称する。 ）や医療診断用各磁気共鳴コンピュータ断層撮影装置（ＭＲＩ装置）等に応用さ れるに伴い、上記超電導マグネットを液体ヘリウムで冷却するためのクライオス タット等の開発が急速に進められている。

【０００３】 図５は、上記ＭＲＳ装置に用いられるクライオスタットの一例を示したもので ある。このクライオスタット１０は、超電導マグネット１２及び液体ヘリウム１ ３を収容する液体ヘリウム槽（内槽）１４、輻射熱シールド板１６、液体窒素槽 １８、及び真空容器２０を備えており、図例では、上記超電導マグネット１２、 液体ヘリウム槽１４、輻射熱シールド板１６、及び液体窒素槽１８が真空容器２ ０内の中央軸を取り巻くドーナツ状とされている。そして、上記液体ヘリウム槽 １４が輻射熱シールド板１６内に収容され、この輻射熱シールド板１６が液体窒 素槽１８の内周部に収容され、この液体窒素槽１８の外周部に液体窒素１９が収 容され、この液体窒素槽１８が真空容器２０内に収容されている。

【０００４】 上記液体ヘリウム槽１４及び液体窒素槽１８の上部からは首管１４ａ，１８ａ がそれぞれ上方に延設され、これら首管１４ａ，１８ａと対応して真空容器２０ の上部にも管部２１，２２が延設されており、上記首管１４ａ，１８ａが各管部 ２１，２２内に挿入された状態で首管１４ａ，１８ａの上端部が管部２１，２２ の上端部に溶接で固定されている。すなわち、液体ヘリウム槽１４は真空容器２ ０内で首管１４ａの上端を支点として宙吊り状態で支持されている。また、輻射 熱シールド板１６及び液体窒素槽１８の上端部は上記首管１４ａの途中の個所に 固定されている。

【０００５】 ここで、上記首管１４ａは液体ヘリウム槽１４内で蒸発したヘリウムガスを大 気に放出し、同様に首管１８ａは液体窒素槽１８内で蒸発した窒素ガスを大気に 放出するものであるが、ヘリウム及び窒素の蒸発量を極力減らすように、上記首 管１４ａ，１８ａの断面積は極力小さく設定され、かつ上下長さは極力大きく設 定されている。

【０００６】 さらに、各槽１４，１６，１８の振れを規制するため、これらの槽１４，１６ ，１８の底面に複数個の突出部２４が周方向に沿って設けられるとともに、これ らの突出部２４のうち、液体ヘリウム槽１４の底面に設けられた突出部２４が支 持棒２６を介して輻射熱シールド板１６の側壁下部に連結され、同様に、輻射熱 シールド板１６の底面に設けられた突出部２４が液体窒素槽１８の側壁下部に、 液体窒素槽１８の底面に設けられた突出部２４が真空容器２０の側壁下部に、そ れぞれ支持棒２６を介して連結されている。

【０００７】 ところで、このようなクライオスタットでは、そのランニングコストを下げる ために、上記首管１４ａからの液体ヘリウムの蒸発量を極力抑える必要がある。 そこで従来は、上記首管１４ａ内に例えば図６に示すようなバッフルが設けられ ている。

【０００８】 このバッフルは、首管１４ａの長手方向に延びる支持棒３２と、この支持棒３ ２に沿って略等間隔に配された複数の輻射シールド板３４とからなり、上記支持 棒３２は熱伝導率の小さいＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）やＧＦＲＰ（ ガラス繊維強化プラスチック）等で形成され、上記輻射シールド板３４は輻射率 の小さいアルミニウム等で形成されている。上記支持棒３２は首管１４の上端に シール材３０を介して固定された蓋２８に吊り下げ支持されており、この首管１ ４ａの上端部には蒸発ヘリウムガスを逃がすためのガス出口（図示せず）が設け られている。

【０００９】 このような構造において、大気側から首管１４ａ内に侵入する輻射熱が輻射シ ールド板３４で遮断される一方、液体ヘリウム槽１４内で蒸発したヘリウムガス は首管１４ａ内を通ってガス出口から系外へ排出される。この時、上記ヘリウム ガスと首管１４ａ内面との接触によって両者の間で熱交換がなされ、これにより 首管１４ａが冷却されて液体ヘリウム槽１４への熱侵入が抑制される。

【００１０】

【考案が解決しようとする課題】

上記構造において、首管１４ａ内を上昇する蒸発ヘリウムガスの流速は極めて 小さく、そのレイノルズ数は１０程度で層流となっているため、上昇するヘリウ ムガスのうち首管１４ａに接触するガスは僅かで、両者の間の熱交換も十分でな い。すなわち、この構造では首管１４ａ内を低温のヘリウムガスが流れても首管 １４ａは効果的に冷却されず、首管１４ａから液体ヘリウム槽１４への熱侵入が 十分に抑制されないので、液体ヘリウムの蒸発量を飛躍的に削減することは困難 である。

【００１１】 本考案は、このような事情に鑑み、内槽内で蒸発して首管内を流れるヘリウム 等の蒸発ガスのエンタルピーを有効に利用することにより、内槽への熱侵入を抑 制し、内槽内の低温液体の蒸発量を効果的に削減することができる低温容器を提 供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

本考案は、低温液体を収容する内槽と、この内槽を収容する外槽とを備え、上 記内槽の上部から上方に首管が延設されるとともに、この首管の上端部が上記外 槽に固定された低温容器において、上記首管内に、この首管の長手方向に沿って 延びる螺旋状のバッフルを設け、このバッフルにこのバッフルよりも輻射率の小 さい材料からなる輻射シールド板を設けたものである。

【００１３】

【作用】

上記構成によれば、首管内に螺旋状のバッフルが設けられているため、このバ ッフルにより形成された螺旋状通路に沿って低温液体の蒸発ガスが流れることに より、バッフルがない場合に比べて上記首管内で蒸発ガスが流れる通路が長くな るとともに、上記蒸発ガスは首管内面に向かう方向に積極的に流され、これによ って蒸発ガスと首管との熱交換量が増大し、この熱交換で首管が冷却される。一 方、外部から首管内へ侵入しようとする輻射熱は、上記バッフルに吸収され、さ らに、このバッフルに設けられた輻射シールド板で遮蔽される。

【００１４】

【実施例】

本考案の一実施例を図１〜図４に基づいて説明する。

【００１５】 この実施例に示すクライオスタット（低温容器）１０の全体構成については、 前記図５に示したものと全く同様であり、超電導マグネット１２及び液体ヘリウ ム１３を収容するドーナツ状の液体ヘリウム槽（内槽）１４、ドーナツ状輻射熱 シールド板１６、ドーナツ状液体窒素槽１８、及び真空容器２０を備えており、 液体ヘリウム槽１４が輻射熱シールド板１６内に、輻射熱シールド板１６が液体 窒素槽１８の内周部に、液体窒素槽１８が真空容器２０内にそれぞれ収容され、 液体窒素槽１８の外周部に液体窒素１９が収容されている。

【００１６】 なお、本考案において内槽と外槽との間の構造については特に問わず、少なく とも外槽内に内槽が収納される種々の低温容器について適用することが可能であ る。また、収納の対象となる低温液体の種類も問わず、上記液体ヘリウムの他、 液体窒素等の収納にも適用が可能である。

【００１７】 上記液体ヘリウム槽１４及び液体窒素槽１８の上部からは首管１４ａ，１８ａ がそれぞれ上方に延設され、これら首管１４ａ，１８ａと対応して真空容器２０ の上部にも管部２１，２２が延設されており、上記首管１４ａ，１８ａが各管部 ２１，２２内に挿入された状態で首管１４ａ，１８ａの上端部が管部２１，２２ の上端部に溶接で固定されることにより、液体ヘリウム槽１４は真空容器２０内 で首管１４ａの上端との接合部を支点にして宙吊り状態で支持されている。また 、輻射熱シールド板１６及び液体窒素槽１８の上端部は上記首管１４ａの途中の 個所に固定されている。上記首管１４ａは液体ヘリウム槽１４内で蒸発したヘリ ウムガスを大気に放出し、同様に首管１８ａは液体窒素槽１８内で蒸発した窒素 ガスを大気に放出するものであり、各首管１４ａ，１８ａの断面積は極力小さく 設定され、かつ上下長さは極力大きく設定されている。

【００１８】 また、液体ヘリウム槽１４の底面に設けられた突出部２４が支持棒２６を介し て輻射熱シールド板１６の側壁下部に連結され、同様に、輻射熱シールド板１６ の底面に設けられた突出部２４が液体窒素槽１８の側壁下部に、液体窒素槽１８ の底面に設けられた突出部２４が真空容器２０の側壁下部に、それぞれ支持棒２ ６を介して連結されている。この支持棒２６は、固体熱伝導による液体ヘリウム 槽１４への熱侵入を防ぐため、ＦＲＰ等の熱伝導率の低い材料で形成されるとと もに、可及的に長尺小径の形状とされている。

【００１９】 次に、上記ヘリウムガス用首管１４ａ及びその近傍の構造を図１，２に基づい て説明する。なお、図２において１４ｂは首管１４ａと管部２１との接合部であ る。

【００２０】 上記管部２１の上端には、カバー３６が設けられている。詳しくは、図２に示 すように、上記管部２１の上端周縁部及びカバー３６の下端周縁部にフランジ部 ２１ａ，３６ａがそれぞれ形成されており、両フランジ部２１ａ，３６ａがクイ ックカップリング３８によって接合されている。また、カバー３６の側壁上部に は蒸発ヘリウムガスの出口管４０が接続されている。

【００２１】 さらに、この容器の特徴として、上記首管１４ａ内に、図１に示すような螺旋 状のバッフル４２が設けられている。このバッフル４２としては、厚さが0.1〜0 .2mm程度の半硬化状ＦＲＰを首管１４ａの内径よりも0.2〜0.3mm小さい幅で切断 し、これを首管１４ａの内径の0.5〜1.0倍のピッチで螺旋状に巻き、加熱硬化し たものなどが好適である。ただし、本考案においてバッフルの具体的な材質や製 造方法は上述のものに限定されず、熱伝導性の低い材料で螺旋状に形成したもの であれば適用が可能である。

【００２２】 上記バッフル４２の上端部は、図２に示すように上下端にねじ部４４ａを有す る連結棒４４を介して、カバー３６の天壁に装着された蓋４６に連結されており 、従ってバッフル４２全体はカバー３６により吊り下げ支持された状態にある。 一方、バッフル４２の下端には、このバッフル４２よりも輻射率の低い材料、例 えばアルミニウム等で形成された輻射シールド板４８が設けられている。

【００２３】 このようなクライオスタットによれば、液体ヘリウム槽１４内で蒸発したヘリ ウムガスは、首管１４ａ内でバッフル４２により形成された螺旋状通路に沿って 首管１４ａ内を上昇し、出口管４０から系外へ導出される。従って、このような バッフル４２がないものに比べ、蒸発ヘリウムガスが首管１４ａ内を流れる道程 が長く、また蒸発ヘリウムガスは積極的に首管１４ａの内面に向かう方向に流れ るため、その分蒸発ヘリウムガスと首管１４ａとの熱交換量が増大し、低温ヘリ ウムガスによって首管１４ａが効果的に冷却される。

【００２４】 一方、外部から首管１４ａ内へ侵入する輻射熱は、バッフル４２下端の輻射シ ールド板４８で遮蔽されるとともに、この輻射シールド板４２よりも輻射率が大 きく、かつ熱伝導率の低いバッフル４２で吸収されるため、従来の構造と同様、 液体ヘリウム槽１４内へは輻射熱が伝達されにくい。従って、上記蒸発ヘリウム ガスを利用した首管１４ａの冷却の分だけ首管１４ａから液体ヘリウム槽１４へ 向かう熱侵入が抑制され、液体ヘリウム槽１４内での液体ヘリウムの蒸発量が削 減される。

【００２５】 図３は、前記図６に示した構造をもつ従来容器における熱伝達を、輻射、固体 熱伝導、及び蒸発ヘリウムガスによる冷却に分けて表したものであり、図４は本 実施例装置における熱伝達を同様に示したものである。このような熱伝達量の差 異により、液体ヘリウム蒸発量は従来の15.5cc/hから10.3cc/hまで削減されるこ とが確認された。また、数値計算により、本実施例構造におけるヘリウムガスと 首管１４ａとの間の熱伝達率が従来の４倍大きくなっていることも確認されてい る。

【００２６】 なお、上記実施例ではバッフル４２の下端部に輻射シールド板４８を設けたも のを示したが、本考案ではバッフルにおける輻射シールド板の配設個所を特に問 わない。ただし、上記バッフルの下端部、すなわち低温端部に輻射シールド板を 設ければより優れた効果が得られることが経験上確認されている。また、輻射シ ールド板をバッフルに対して複数個所、例えばバッフル上下端の２個所に設ける ようにすれば輻射遮断効果がより高まることはいうまでもない。

【００２７】

【考案の効果】

以上のように本考案は、内槽上部から上方に延設された首管の上端部が外槽に 固定された低温容器において、上記首管内に、この首管の長手方向に沿って延び る螺旋状のバッフルを設け、このバッフルにこのバッフルよりも輻射率の小さい 材料からなる輻射シールド板を設けたものであるので、上記バッフルで形成され た螺旋状通路内に低温液体の蒸発ガスを通すことにより、この蒸発ガスと首管と の熱交換量を増大させ、効率よく首管を冷却することができる。すなわち、上記 蒸発ガスの低温を有効に利用して首管を冷却することによりこの首管から内槽内 への熱伝達を効果的に抑制することができ、これによって内槽内での低温液体の 蒸発量を大幅に削減することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例におけるクライオスタットの
要部を示す断面正面図である。

【図２】上記クライオスタットにおける首管上端部の構
造を示す断面正面図である。

【図３】従来のクライオスタットにおける各部材間の熱
収支を示す説明図である。

【図４】上記実施例におけるクライオスタットにおける
各部材間の熱収支を示す説明図である。

【図５】クライオスタットの全体構造を示す断面正面図
である。

【図６】従来のクライオスタットにおける首管内の構造
を示す断面正面図である。

【符号の説明】

１０ クライオスタット（低温容器） １４ 液体ヘリウム槽（内槽） １４ａ 首管 ２０ 真空容器（外槽） ４２ バッフル ４８ 輻射シールド板

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 【請求項１】 低温液体を収容する内槽と、この内槽を
   収容する外槽とを備え、上記内槽の上部から上方に首管
   が延設されるとともに、この首管の上端部が上記外槽に
   固定された低温容器において、上記首管内に、この首管
   の長手方向に沿って延びる螺旋状のバッフルを設け、こ
   のバッフルにこのバッフルよりも輻射率の小さい材料か
   らなる輻射シールド板を設けたことを特徴とする低温容
   器。