JPH05172924A - クライオスタット用侵入熱測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この侵入熱量の測定精度を落とすことなく、従
来に比べ極めて短時間で測定が終了するクライオスタッ
ト侵入熱量の測定装置を提供する。 【構成】クライオスタット１５から装置外部に放出する
ガス放出管１２出口部に、その部分のガス圧力を任意の
値に保持する精密圧力制御装置１７とを設け、貯液槽か
ら放出管を通って放出される蒸発ガスの単位時間当りの
流量を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷媒などを長期
間にわたって保存可能な高い断熱性能を有する高性能ク
ライオスタットの侵入熱量の測定装置に係り、特に、短
時間に精度よく侵入熱量を測定するのに好適なクライオ
スタット用侵入熱測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】医療用で使用される人体診断用の核磁気
共鳴装置（以下、単にＭＲＩ装置と称す）には、均一な
高磁界を得るために超電導マグネット（以下、単にマグ
ネットと称す）を使用する。このため、マグネットを冷
却する真空断熱したクライオスタットが必要である。

【０００３】マグネットは、超電導状態を保つために極
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内に侵入熱で徐々
に蒸発し、定期的に液体ヘリウムを補充しなくてはなら
ない。この液体ヘリウムの補充は大変手間のかかるもの
であり、また、その間はＭＲＩ装置は使用できない。そ
こで、この補充回数を減らすために、クライオスタット
の断熱性能を向上させることにより液体ヘリウムの蒸発
量の低減が図られ、最近では、かなりの長期間にわたっ
て液体ヘリウムを補充せずにすむようになってきた。こ
のようなクライオスタットの液体ヘリウム蒸発量の測定
は、大気圧が一定と仮定しクライオスタットから大気に
放出される、蒸発ガスの流量を測定し、それを液体ヘリ
ウムの蒸発量に換算する方法を用いていた（公知例 Cr
yogenics，Ｖol.３０，Ｎo.１１，ｐ９４２〜９４６
（１９９０)）。

【０００４】ところが、液体ヘリウムの蒸発量が非常に
小さくなったために、大気圧の変動の影響を受けるよう
になった。すなわち、大気圧が低くなると蒸発が盛んに
なるが、逆に、大気圧が高くなると蒸発は抑制され、そ
の蒸発量の正確な値を測定しようとすると、大気圧の変
動が平均化される程度の長期間にわたって液体ヘリウム
の蒸発量の測定を続けなければならなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、クラ
イオスタットから放出される液体ヘリウムの蒸発ガス圧
を、侵入熱の測定中、一定にすることについて考慮され
ておらず、製作したクライオスタットが設計値どおりの
断熱性能が得られているかどうかを調べるクライオスタ
ットの侵入熱量の測定には、大変な手間と時間を要する
という問題があった。

【０００６】本発明の目的は、この侵入熱量の測定精度
を落とすことなく、従来に比べ極めて短時間で測定が終
了するクライオスタット侵入熱量の測定装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、極低温冷媒を貯液槽と、その貯液槽を取
り囲む断熱層と、前記貯液槽内の極低温冷媒の蒸発ガス
を装置外部に放出するガス放出管とからなる断熱装置
に、前記放出管の出口部に前記貯液槽内部の圧力を任意
の値に保つ精密圧力制御装置とを設け、前記貯液槽から
前記放出管を通って放出される蒸発ガスの単位時間当り
の流量を測定するようにした。

【０００８】精密圧力制御装置は、貯液槽内部の圧力を
大気圧の変動に対して常にその変動する圧力の範囲外、
または、その範囲内になるような制御を行う。

【０００９】また、クライオスタットの極低温冷媒の蒸
発ガス放出管に、貯液槽と連通する主容器と、前記主容
器に排気装置入口弁を介して吸い込み口を有する蒸発ガ
スの排気装置と、この排気装置の吐出口側の蒸発ガス流
路と前記主容器とを連通する連通弁と、前記排気装置の
吐出口側蒸発ガス流路に入口を有し大気側に出口を有す
る大気開放弁と、前記排気装置の吐出口側に蒸発ガス流
路のみに連通した補助容器と、前記主容器内部の圧力を
高精度に計測する圧力センサと、前記圧力センサの出力
信号を入力とし、本請求項記載のすべての弁の開度を遠
隔操作で制御する制御装置とからなる精密圧力制御装置
を設けたもである。

【００１０】また、前記排気装置の吐出口側の蒸発ガス
流路と前記主容器とを連通する連通弁を設けるかわり
に、排気装置の吐出口を大気に開放し、前記主容器に前
記極低温冷媒のガスを供給するガスボンベと、前記ガス
ボンベから供給されるガスの流量の調節弁を設けたもの
である また、クライオスタットのガス放出管に連通し、かつ、
大気開放弁をもつ主容器と、前記主容器に前記極低温冷
媒のガスを供給するガスボンベと、前記ガスボンベから
供給されるガスの流量の調節弁と、前記主容器内部の圧
力を高精度に計測する圧力センサと、前記圧力センサの
出力信号を入力とし、本請求項記載のすべての弁の開度
を遠隔操作で制御する制御装置とからなり、貯液槽内部
の圧力を大気圧の変動に対して常に正圧になるような制
御を行うことを特徴とする精密圧力制御装置を設けた。

【００１１】また、放出管に連通し、かつ、大気開放弁
と内部の前記の蒸発ガスの温度制御装置を有する主容器
と、前記主容器内部の圧力を高精度に計測する圧力セン
サと、前記圧力センサの出力信号を入力とし、本請求項
記載のすべての弁の開度を遠隔操作にて制御する制御装
置とからなる精密圧力制御装置を設けた。

【００１２】

【作用】この精密圧力制御装置は、大気圧が変動しても
前記極低温冷媒貯液槽内部をある一定の圧力に高精度に
保持する。これを実現するために、前記放出管の圧力を
高精度に検出する圧力センサを設け、その出力をもと
に、この放出管を流れる前記蒸発ガスの流量を、放出管
に取り付けた流量調節弁の開度を調節することによって
圧力を制御する。なお、圧力の設定値は、大気圧に近い
任意の値でよい。圧力を大気圧に対して負圧に保つ場合
は、前記流量調節弁の大気開放側に前記蒸発ガスの排気
装置をもちいればよい。圧力を正圧に保つ場合は、前記
蒸発ガスが大気に常に吹き出すのでこのような排気装置
は不要である。圧力を大気圧の変動範囲内に保つ場合
は、前記排気装置と前記放出管に極低温冷媒と同じガス
を供給するガス供給装置が必要である。なお、圧力検出
部には前記蒸発ヘリウムガスのバッファタンクを設け、
極低温冷媒の蒸発量が変動した場合に前記極低温冷媒貯
槽の圧力変化が鋭敏にならないようにするとよい。

【００１３】また、上記目的を達成するための他の方法
として、前記蒸発ガスの流量調節大気開放弁を有する前
記放出管と連通したバッファタンクと、この内部の圧力
を高精度に検出する圧力センサとを設けてもよい。この
バッファタンク内には、この内部の蒸発ガスの温度制御
を設ける。ガスの圧力は、温度を変化させることができ
るので、圧力センサの出力をもとにタンク内部の温度と
ガスの大気放出量を調節することによって、上記と同様
の作用がえられる。

【００１４】

【実施例】本発明を適用した侵入熱測定装置を利用する
のに好適なクライオスタットの一例を図１を用いて簡単
に説明する。クライオスタットは、真空容器１とその内
部に超電導マグネット２を内包する液体ヘリウム槽４，
複数温度レベル（実施例では、約７０Ｋと約１５Ｋの２
つの温度レベル）にある熱シールド筒５，６を内蔵し、
真空容器１で大気と隔離され内部を断熱処理、例えば、
積層断熱材８を巻き付けて真空断熱している。熱シール
ド筒５，６を複数温度レベルに維持する冷凍機は、たと
えば、ガス圧縮源の圧縮機ユニット９とピストン往復動
式の膨張機１０、及び、両者を連通する高圧配管１１と
中圧配管とからなる。膨張機１０の低温部は、クライオ
スタット内に挿入され、熱シールド筒５，６と熱的に一
体化している。液体ヘリウム槽の液体ヘリウムは、室温
部からの侵入熱によって蒸発し、その蒸発ガスは、液体
ヘリウム槽４と真空容器１外部とを連通する放出ガス管
１２をながれ、大気圧よりもわずかに高い圧力で開の状
態になるチェック弁１３を通って大気へと放出される。
なお、放出ガス管の内部にも多数の金属盤を間隔を保っ
て配した熱シールド１４を設けてある。このような構成
のクライオスタットは、液体ヘリウムへの室温部からの
侵入熱が極限まで抑えられており、ＭＲＩなどでは、性
能のよいものは０.１Ｗ 程度にまで減っている。したが
って、液体ヘリウムの蒸発ガス量が大変小さいので、液
体ヘリウム槽内部の圧力は大気圧とほとんど等しくな
る。したがって、大気圧が低気圧の接近などにより低く
なると、液体ヘリウム槽内部の圧力のほう大気圧より低
くなり、液体ヘリウムの蒸発量が、液体ヘリウム槽内部
の圧力と大気圧がほとんど平衡した状態の侵入熱量より
も増加する。また一方、大気圧が高気圧の接近などによ
って高くなることが起こると、逆のことが生じて液体ヘ
リウム容器に空気が混入する。クライオスタットではこ
の種の空気の混入は絶対にさけなければならず、前述の
チェック弁１３はこれを防ぐためのものである。

【００１５】さて、このようなクライオスタットの侵入
熱量を測定するには、液体ヘリウム槽内部の圧力と大気
圧がほとんど平衡した状態にたもたなければ上述の理由
により正確な値を測定することができない。そこで、現
在は、大気圧の変動が平均化されほぼ一定と考えられる
程度の長期間にわたって液体ヘリウムの蒸発量を積算
し、それを測定に要した時間で除することにより単位時
間当りの蒸発量、すなわち、クライオスタットへの侵入
熱量を算出するようにしている。したがって、この測定
に大変な時間を要し、結果として製品のコストアップに
つながっていた。

【００１６】本発明の一実施例を図２で説明する。侵入
熱の測定時にクライオスタット１５のチェック弁１３を
流れ出る液体ヘリウムの蒸発ガス１６を直接大気に放出
するのではなく、入口部の圧力を高精度に一定値に保つ
ことの出来る精密圧力制御装置１７を介して大気に放出
するようにしたものである。蒸発ガスの流量測定はその
圧力制御された流路のところに設置した流量計１８でお
こなう。

【００１７】精密圧力制御装置１７の一実施例を図３を
用いて説明する。図の実線の矢印は、蒸発ヘリウムガス
の流れる方向を表す。また、破線の矢印は、制御信号の
流れを表す。流量計１７をでた蒸発ガスは、一旦、主タ
ンク１９のなかにはいる。主タンク１９内の蒸発ガス
は、調節弁１８を介して排気装置２０により主タンク外
へ排気される。排気装置２０の吐出口と主タンクは流量
調節弁２１をもつ連通管２２によりつながっている。連
通管２２の排気装置２０側に、連通管２２のみにしか入
口，出口をもたない補助タンク２３を設ける。図には描
いていないが、この連通管の途中に排気装置２０の吐出
口からガスに混じって排出される油などの不純物などを
除去する不純物除去装置をもうけたほうがよい。また、
排気装置２０の吐出口は流量調節弁２４を介して大気に
開放する。主タンク１９の圧力は、高精度圧力センサ２
５を用いて電気出力に変換し、コントローラ２６に入力
する。このセンサは、なるべく高精度のものが好ましく
少なくとも０.１ ミリバール程度の分解能で圧力を検出
できる必要がある。このコントローラは流量調節弁１
８，２１，２４の開度を主タンク１９内部の蒸発ガス圧
力の値を一定に保つように制御する。この精密圧力制御
装置は、主タンクおよび各部配管の圧力（図３では、Ｐ
０，Ｐ１，Ｐ２で表している。また大気圧はＰａで表し
ている）では、

【００１８】

【数１】 Ｐ１＜Ｐ０＜Ｐ２ …(１)

【００１９】

【数２】 Ｐａ＜Ｐ２ …(２) の関係がある。数１にはＰａは関係しないので、主タン
ク１９内部の圧力Ｐ２を任意の値に保持できる。なお、
流量調節弁１８，２１，２４には、細かく流量調節でき
るニードル弁などを用いるとよい。また、主および補助
タンクの容量は、圧力センサ２５および流量調節弁１
８，２１，２４の応答精度によってきめればよい。

【００２０】精密圧力制御装置１７の他の実施例を図４
を用いて説明する。図３の実施例と異なるのは、排気装
置２０の吐出口と主タンク１９の連通管２２と補助タン
ク２３がなく、その代わりに主タンク１９に蒸発ヘリウ
ムガスと同種のガスを供給するガスボンベ２７とその供
給量を調節する流量調節弁２８と設けたところである。
この装置では、排気装置２０の吐出側には弁はなくその
まま大気に開放する。この方式の利点は、図３の装置の
ように主タンクに排気装置２０の油などが混入する可能
性が全くない点で、よい不純物除去装置が手に入らない
場合に用いることができる。

【００２１】精密圧力制御装置１７の他の実施例を図５
を用いて説明する。これは図４の装置の排気装置２０を
取り去ったもので、主タンク内の圧力を大気圧に対して
常に正圧に保ってよい場合に用いることが出来る。排気
装置２０がなくても大気圧側が常に低いので積極的に排
気する必要がなく、機器の構成点数が少なくてすむ。た
だし、この装置の主タンク内の圧力Ｐ０がクライオスタ
ットのチェック弁１３の動作圧よりも低いことが条件で
あるので、その条件をどうしても満たすことができない
場合は、この実施例は利用できない。

【００２２】精密圧力制御装置１７の他の実施例を図６
を用いて説明する。これは図５の主タンク１９に蒸発ヘ
リウムガスと同種のガスを供給するガスボンベ２７とそ
の供給量を調節する流量調節弁２８を取り去り、そのか
わりに主タンク１９内部のガスの精密温度制御器２８を
設けたものである。コントローラは流量調節弁１８とと
もにこの精密温度制御器２８を制御する。主タンク内部
のガスは温度が上昇すると圧力が上がり、温度が下降す
ると圧力が下がる。クライオスタットから放出されるヘ
リウムガスの量は微量であるのでこの方法で十分主タン
ク内の圧量圧力を制御できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、クライオスタットの極
低温冷媒放出管を流れ出てくる蒸発ガス圧力を、大気圧
の変動に影響されないようにできるので、この放出管を
通って放出される蒸発ガスの単位時間当りの流量を一定
にでき、きわめて短時間でクライオスタットの侵入熱量
を正確に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クライオスタットの一例の説明図。

【図２】本発明の一実施例のブロック図。

【図３】精密圧力制御装置の一実施例の系統図。

【図４】精密圧力制御装置の他の実施例の系統図。

【図５】精密圧力制御装置の他の実施例の系統図。

【図６】精密圧力制御装置の他の実施例の系統図。

【符号の説明】

１５…クライオスタット、１７…精密圧力制御装置、１
８，２１，２４…流量調節弁、１９…主タンク、２０…
排気装置、２３…補助タンク、２５…圧力センサ、２６
…コントローラ、１００…流量計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 磯上 尚志 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】極低温冷媒の貯液槽と、前記貯液槽を取り
   囲む断熱層と、前記貯液槽内の前記極低温冷媒の蒸発ガ
   スを装置の外部に放出するガス放出管とからなるクライ
   オスタットに、前記ガス放出管の出口部に前記貯液槽の
   内部の圧力を任意の値に保つ精密圧力制御装置と、前記
   貯液槽から前記放出管を通って放出される蒸発ガスの流
   量を測定する手段とを含むことを特徴とするクライオス
   タット用侵入熱測定装置。