JPH0560295A - 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、首管１４ａ内に断熱部材４２を
設け、この断熱部材４２の外周面と首管１４ａの内周面
との間に形成された流通路４５をヘリウムガス等の蒸発
ガスが流れるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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１３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２０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１
８の上部からは首管１４ａ，１８ｂがそれぞれ上方に延
設され、これら首管１４ａ，１８ｂ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，１８ｂが各管部２１，２２内に挿入された
状態で首管１４ａ，１８ｂ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２０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かち延設された首管１６
ａ，１８ａ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１８ｂ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，１８ｂ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１
４ａ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３２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ＧＦＲＰ（炭素繊維強化
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
１４ａ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】

【発明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との接触が少なく、しかもその
流速が低いためにヘリウムガスはほぼよどんだ状態にあ
り、このため首管１４ａは効果的に冷却されず、首管１
４ａ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】本発明は、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低温
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】本発明は、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、上記首管内の中央に上記低温液体の蒸発ガスよりも
熱伝達率の低い材料からなる断熱部材を首管の軸方向略
全域にわたって設け、この断熱部材と上記首管の内周面
との間に上記蒸発ガスの流通路を形成したものである
（請求項１）。

【００１３】さらに、上記断熱部材の周囲に、この断熱
部材の径方向外側に突出するフィンを設けたり（請求項
２）、上記断熱部材の低温端に輻射シールド部材を設け
たりする（請求項３）ことにより、後述のようなより優
れた効果が得られる。

【００１４】

【作用】上記構成によれば、首管内の中央に断熱部材が
設けられているので、その周囲にのみ蒸発ガスの流通路
が残され、しかもこの流通路の断面積は首管の全断面積
に比べて非常に小さい。従って、蒸発ガスは断熱部材の
周囲すなわち首管の内周面付近に集中して流れ、しかも
その流速は従来構造における流速よりも高くなる。これ
により、蒸発ガスと首管との熱交換が促進され、この熱
交換により首管が冷却される。また、上記断熱部材は蒸
発ガスよりも低い熱伝導率をもつ材料で形成されている
ので、この断熱部材を媒介とする固体熱伝導により熱侵
入が促進されることはない。

【００１５】さらに、請求項２記載の構造によれば、断
熱部材の周囲にフィンが設けられているため、その分流
通路の断面積が削減され、蒸発ガスの流速はより高めら
れる。また、請求項３記載の構造によれば、断熱部材の
低温端に設けられた輻射シールド部材により、断熱部材
低温端からの輻射熱が遮蔽される。

【００１６】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図５に基づいて説
明する。

【００１７】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。

【００１８】なお、本発明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、内槽内に収容する低温液体も、液体ヘリ
ウムの他、液体窒素等、種々のものに適用できる。

【００１９】上記液体ヘリウム槽１４及び液体窒素槽１
８の上部からは首管１４ａ，１８ｂがそれぞれ上方に延
設され、これら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，１８ｂ
が各管部２１，２２内に挿入された状態で首管１４ａ，
１８ｂ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から延設された首管１６ａ，１８ａ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１８ｂ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，１８ｂ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。

【００２０】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２６
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、Ｆ
ＲＰ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。

【００２１】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１〜３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。

【００２２】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。

【００２３】さらに、この容器の特徴として、図１，３
に示すように、首管１４内にその軸方向略全域にわたっ
て延びる断熱部材４２及びローフィン管４３が設けられ
ている。

【００２４】上記断熱部材４２は、全体が円柱状に形成
され、図３に示すように首管１４内の中央に配されてい
る。この断熱部材４２は、ヘリウムガスよりも熱伝達率
の低い材料からなり、その具体的な材質としては、ポリ
スチロールフォーム等が好適である。この断熱部材４２
は、垂直軸４４を介してカバー３６側に吊下げ支持され
ており、より具体的には、図２に示されるように、上記
垂直軸４４の下端部が断熱部材４２の上端部に接着等の
手段で固定されるとともに、この垂直軸４４の上端部に
形成されたねじ部４４ａが、カバー３６の天壁に装着さ
れた蓋４６のねじ穴に螺合装着されている。この垂直軸
４４は、この垂直軸４４自身の固体熱伝導による熱侵入
を防ぐため、ＦＲＰ等のように熱伝導性の低い材料で可
能な限り細長に形成することが望ましい。

【００２５】また、この断熱部材４２の低温端部（この
実施例では下端部）には、アルミニウム等のように輻射
率の低い材料で形成された輻射シールド板４８が固定さ
れている。

【００２６】上記ローフィン管４３は、全体がＦＲＰ等
のような熱伝達率の低い材料で形成されており、上記断
熱部材４２に外篏される管部４３ａと、この管部４３ａ
から上記断熱部材４２の径方向外側に突出する複数枚の
フィン部４３ｂとで構成され、このローフィン管４３全
体が断面部材４２とともにカバー３６から吊り下げられ
た状態となっている。各フィン部４３ｂの高さ寸法ｈ
は、なるべく小さな値に設定することが望ましく、例え
ば首管１４ａの内径を２６mmとした場合には１〜２mm程
度が好ましい。また、各フィン部４３ｂの外端面と首管
１４ａの内周面との隙間は、断熱部材４２及びローフィ
ン管４３全体が首管１４ａに対して容易に挿脱できる範
囲内で極力小さく設定することが望ましい。

【００２７】このローフィン管４３の具体的な製造方法
としては、まず、厚さが 0.1〜0.2mm程度の半硬化状Ｆ
ＲＰシートを適当な幅で切断してパイプ状に巻くことに
より、首管１４ａの内径よりも２〜３mm程度小さい外径
をもつような管部４３ａを形成した後、この管部４３ａ
の外周面に複数枚のフィン部４３ｂを接着剤等で固定す
るようにすればよい。ただし、本発明では断熱部材やフ
ィン等の具体的な製造方法は特に問わない。

【００２８】このようなクライオスタットによれば、首
管１４ａ内にこれと同方向に延びる断熱部材４２及びロ
ーフィン管４３が配されているので、液体ヘリウム槽１
４内で蒸発したヘリウムガスは、首管１４ａ内において
その内周面と管部４３ａの外周面との間に形成された、
フィン部４３ｂ同士間の流通路４５のみを通ることにな
る。しかも、この流通路４５の断面積は首管１４ａ全体
の断面積に比べて非常に小さいので、ヘリウムガスの流
速は従来と比べて大きくなる。すなわち、上記ヘリウム
ガスは高い流速で首管１４ａの内周面近傍個所に集中し
て流れることになり、これによりヘリウムガスと首管１
４ａとの熱交換が促進され、首管１４ａが効果的に冷却
されるとともに、温まったヘリウムガスは出口管４０を
通じて系外へ導出される。

【００２９】一方、外部から断熱部材４２の低温端を通
じて首管１４ａ内へ侵入しようとする輻射熱は、断熱部
材４２の低温端に装着された輻射シールド板４８で遮蔽
されるため、液体ヘリウム槽１４内へは侵入しにくい。
従って、断熱部材４２及びローフィン管４３の配設によ
る冷却効果の分だけ首管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。また、上記断熱部
材４２は蒸発ガスよりも低い熱伝達率をもつ材料で形成
されているので、この断熱部材４２を媒介とする固体熱
伝導により熱侵入が促進されることはない。

【００３０】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例として次のような態様を採ることも可能
である。

【００３１】(1) 上記実施例では単一の断熱部材４２及
びローフィン管４３を首管１４ａの軸方向略全域にわた
って配設したものを示したが、本発明ではこれらを首管
１４ａの軸方向について複数個に分割するようにしても
良い。ただし、分割した断熱部材４２同士の隙間をあま
り大きく設定するとその分ヘリウムガスの流速が下がる
ので、この隙間はなるべく微小に設定する必要がある。

【００３２】(2) 上記実施例では、断熱部材４２ととも
にローフィン管４３を設けたものを示したが、図４に示
すように首管１４ａの断熱部材４２を配しただけの構造
においても、その周囲に断面積の小さな流通路４５が形
成されるので、本発明の効果を得ることが可能である。
ただし、上記ローフィン管４３等によるフィンをもうけ
れば、その分流通路の断面積はより小さくなり、蒸発ガ
スの流速が高められるので、より優れた効果が得られ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明は、内槽から延設さ
れた首管内に断熱部材を設け、この断熱部材の外周面と
首管の内周面との間に形成された流通路を蒸発ガスが流
れるようにしたものであるので、蒸発ガスの流れ個所を
首管の内周面近傍に集中させ、かつその流速を高めるこ
とにより、この蒸発ガスと首管との熱交換を促進し、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導を効果的に抑制し、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。

【００３４】さらに、請求項２記載の構造によれば、断
熱部材の周囲に設けられたフィンの分だけ流通路の断面
積が削減され、蒸発ガスの流速がより高められるため、
首管の冷却がより促進される効果がある。また、請求項
３記載の構造によれば、輻射シールド部材で断熱部材低
温端からの輻射熱を遮蔽することにより、内槽内への熱
侵入をより効果的に抑制することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明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】図１のIII-III線断面図である。

【図４】他の実施例におけるクライオスタット要部の断
面平面図である。

【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 断熱部材 ４３ ローフィン管 ４３ｂ フィン部 ４８ 輻射シールド板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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、上記首管内の中央に上記
   低温液体の蒸発ガスよりも熱伝達率の低い材料からなる
   断熱部材を首管の軸方向略全域にわたって設け、この断
   熱部材と上記首管の内周面との間に上記蒸発ガスの流通
   路を形成したことを特徴とする低温容器。
2. 【請求項２】 請求項１記載の低温容器において、上記
   断熱部材の周囲に、この断熱部材の径方向外側に突出す
   るフィンを設けたことを特徴とする低温容器。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の低温容器におい
   て、上記断熱部材の低温端に輻射シールド部材を設けた
   ことを特徴とする低温容器。