JPH0734294Y2 - 極低温冷却装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、核磁気共鳴装置に使用される超電導マグネ
ットなどの超電導コイルを収納し極低温に保持するため
の極低温冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

第３図は従来のMRI装置の超電導マグネットの要部を主
体にして図示した断面図である。この図において、被冷
却体としての超電導コイル１を液体ヘリウム２に浸した
状態で収納した液体ヘリウム容器３を覆って、第１の熱
遮へい体５、第２の熱遮へい体６、更にその外側に真空
容器４が設けられており、真空容器４内の液体ヘリウム
容器２内部を除く空間が真空に維持される。これらはい
ずれも図示しない断熱支持体で相互の位置関係を保持す
る構成が採られている。

第１の熱遮へい体５と第２の熱遮へい体６とをそれぞれ
の保持すべき低温に維持するために冷凍機10が設けられ
ており、この冷凍機10は図示しない外部のヘリウム圧縮
機から圧縮されたヘリウムガスが供給されて、低温冷却
フランジ11が第１の熱遮へい体５を冷却するに必要な温
度である20K程度の低温に冷却され、中温冷却フランジ1
2が第２の熱遮へい体６を冷却するに必要な温度である8
0K程度の中温に冷却される構成のものである。低温冷却
フランジ11と第１の熱遮へい体５との間は撚銅などの屈
曲性の高い導熱リード13で熱的に結合されて低温冷却フ
ランジ11が第１の熱遮へい体５の熱を吸収するととも
に、定期点検などのために冷凍機10取外したり取付けた
りすることのできるようにボルト締め接続されている。
同じようにして第２の熱遮へい体６と中温冷却フランジ
12も導熱リード14を介して熱的に結合されている。この
ような２層の熱遮へい体5,6を冷凍機10で冷却する構成
は高価な液体ヘリウム２がガス化して外部に放散してし
まう量を減らしてMRI装置の運転コストを低減するため
である。

真空容器４の外部空間である大気空間と液体ヘリウム容
器３とを連結する連結管81が設けられており、この連結
管81の途中には熱伝導を遮断するためのベローズ82,83,
84がそれぞれ設けられている。実際にはこのような連結
管81は、超電導コイルを励磁する際に外部直流電源から
電流を供給するための電流リードを外部から挿入するた
めの電流リード管、液体ヘリウムを液体ヘリウム容器３
に供給するための液体ヘリウム供給管並びに超電導コイ
ル２がクエンチと称されている超電導状態が破れるとい
う現象が生じた際に、液体ヘリウム２が急激にガス化す
るために発生する液体ヘリウム容器３内の圧力上昇を抑
制するためにヘリウムガスを外部に逃がすための放圧
管、の３本の連結管が設けられているのが一般であり、
この図では電流リード管または放圧管の１本としての連
結管81を示してあり、他の２本は図示を省略してある。

超電導コイル１が液体ヘリウム２に浸されて超電導状態
を維持して電流が流れている運転状態では、前述の放圧
管は所定の圧力以下では閉鎖している弁によって管内が
遮断されており、電流リード管は超電導コイル１を励磁
するときのみ使用するので運転中はふたをして閉鎖され
ており、液体ヘリウム供給管も液体ヘリウムを供給する
とき以外は不要なので、これと同じくふたをしてある。
このように、極低温冷却装置の運転中はこれら３本の連
結管は使用されない状態になっている。

第１の熱遮へい体５の両面には第１の冷却管51が固着さ
れていて上表面に固着されている冷却管51と下表面に固
着されている冷却管51とは直列に接続されている。同じ
ように、第２の熱遮へい体６の両面には第２の冷却管61
が固着されていて上表面に固着されている第２の冷却管
61と下表面に固着されている第２の冷却管61とは直列に
接続されている。第１の冷却管51には第１の接続配管54
を介してバルブヘリウム入口配管92が、第２の冷却管61
には第２の接続配管63を介してバルブ95が設けられたヘ
リウム出口配管93がそれぞれ接続されており、また、そ
れぞれ別な位置に第１の冷却管51と第２の冷却管61とを
連通する連結配管55が設けられている。ヘリウム入口配
管92に流し込まれた液体ヘリウムはヘリウム入口配管92
から第１の接続配管54を通って第１の冷却管51の下側に
入り熱遮へい体５の下部から冷却し上部の冷却管51に移
って上部から冷却し、次いで連結配管55を通って第２の
冷却管61に入り同じようにして第２の熱遮へい体６を冷
却した上で第２の接続配管63を通ってヘリウム出口配管
93から外部に排出される。それぞれの配管には熱遮断の
ためのベローズ551,541,641が設けられている。

このような冷却系統は超電導コイルが超電導状態にな
り、更に電流が流されて永久電流が超電導コイルに流れ
ている状態で運転状態に入った後は使用済となるもので
あり、何らかの理由で超電導コイルを常温に戻しもう一
度クールダウンするまでは使用されることがない。

ところで、このようなクールダウン作業は次のような順
序で行われる。

液体ヘリウム容器３に液体ヘリウム供給管から液体
窒素を流し込んで約80K程度にまで冷却する。

この液体窒素を圧力をかけて押し出し、更に液体ヘ
リウム容器３内を真空引きして残っている窒素ガスを取
り除きヘリウムガスに置換する。

液体ヘリウム容器３に液体ヘリウムを流し込むとと
もに、ヘリウム入口配管92から液体ヘリウムを入れて第
１の熱遮へい体５と第２の熱遮へい体６とを冷却する。
このとき冷凍機10も運転して２つの熱遮へい体5,6の冷
却の促進に役立てる。液体ヘリウム容器３に流れ込んだ
液体ヘリウムは超電導コイル１や液体ヘリウム容器から
受ける熱のために気化するが、これによって生成された
ヘリウムガスは前述の連結管81を通ってバルブ94が設け
られた排出配管91より外部に放出させながら液体ヘリウ
ム容器３に液体ヘリウム２を留める。

第１の熱遮へい体５、第２の熱遮へい体６が所定の
温度に達したところで、ヘリウム入口配管92からの液体
ヘリウムの流入を停止する。

この後、前述の電流リード管から電流リードを挿入して
超電導コイル側に取付けられているコンタクトに接続し
て直流電源で励磁して徐々に超電導コイルに流れる電流
を増加してゆき、所定の値になったところで超電導スイ
ッチを投入して超電導コイルに流れる電流が外部からの
励磁なしに流れる永久電流の状態にする。

〔考案が解決しようとする課題〕

前述のように、クールダウン作業において、液体ヘリウ
ム容器３に流入した液体ヘリウムは気化するとそのまま
外部に放出してしまうことになるが、このヘリウムガス
はまだ充分低温であるので、これをそのまま放出してし
まうのは冷却効率の点で損をしていることになり、結果
的にヘリウムの使用量に無駄があることになる。周知の
ように、ヘリウムは高価であり、しかも地球上の特定の
場所にしか存在していない貴重な資源であるので、ヘリ
ウムの放散をなるべく少なくして消費量を低減すること
が望まれる。

この考案は、超電導コイル並びに液体ヘリウム容器を冷
却するクールダウン作業において、液体ヘリウムによる
冷却の効率を改善してヘリウムの消費量を低減する構成
の極低温冷却装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この考案によれば、被冷却
体を収納し液体ヘリウムを充填する液体ヘリウム容器
と、この液体ヘリウム容器を収納し内部を真空に保持す
る真空容器と、この真空容器と前記液体ヘリウム容器と
の間を隔てて熱遮へいする第１の熱遮へい体と、この第
１の熱遮へい体と前記真空容器を隔てて熱遮へいする第
２の熱遮へい体と、これら第１と第２の熱遮へい体を貫
通し前記液体ヘリウム容器の内部空間と前記真空容器外
部の大気空間とを連通する連結管と、前記第１の熱遮へ
い体に固着して設けられた第１の冷却管と、前記第２の
熱遮へい体に固着して設けられた第２の冷却管と、第１
の冷却管と第２の冷却管とを連通する連結配管と、前記
第１の冷却管にヘリウムガスを流入させる第１の接続配
管と、前記第２の冷却管からヘリウムガスを流出させる
第２の接続配管とを備え、前記被冷却体を冷却する作業
としてのクーリングダウンの際に、前記第１と第２との
冷却管にヘリウムガスを通してそれぞれの熱遮へい体を
冷却する極低温冷却装置において、前記第１の接続配管
が前記液体ヘリウム容器に発生するヘリウムガスを前記
第１の冷却管に導いてなるものとする。

〔作用〕

この考案の構成において、液体ヘリウム容器から直接
か、連結管から分岐してかして液体ヘリウム容器と第１
の冷却管を連通する第１の配管を設けることにより、液
体ヘリウム容器内の液体ヘリウムが蒸発することによっ
て発生するヘリウムガスがこの第１の接続配管を通って
第１の冷却管に流入するので、２つの冷却管にヘリウム
ガスを供給するためのヘリウムガス供給装置が不要とな
る。ヘリウムガスは第１の冷却管、連結配管、第２の冷
却管を流れ、第２の接続配管を介して外部に放出される
が、この第２の接続配管を連結管の第２の熱遮へい体を
貫通する位置の外部側に連結して連結管を介してヘリウ
ムガスを放出する構成とすることにより接続配管が真空
容器を貫通しない構成とすることができる。代わりに連
結管の第２の接続配管の連結位置よりすぐ内部側に弁を
挿入して連結管内のヘリウムガスの流通を遮断すると、
液体ヘリウム容器に発生したヘリウムガスは連結管を通
って外部に放出されず全て２つの冷却管を流れた上で連
結管を介して外部に放出される。この弁はクーリングダ
ウンが終了したら取り外す。また、第２の接続配管を従
来技術と同じく真空容器を貫通して直接外部に連通する
構成とすることにより、連結管に弁を設けることなくヘ
リウムガスを外部に放出することができる。

〔実施例〕

以下この考案を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の考案の実施例を示す断面図であり、第３図と同じ構成
体については同じ参照符号を付けることにより詳しい説
明を省略する。この図において、連結管８は第３図の連
結管81と本質的には同じであるが、図に示すように、第
１の接続配管52と第２の接続配管62が接続され、内部に
弁棒71を付けた弁７を挿入している点が異なる。この弁
７は、クールダウン作業の際に挿入して連結管８内のヘ
リウムガスの流通を遮断するものであり、クールダウン
作業が完了すれば弁棒71によって外部に取り出されこの
連結管８の本来の用に戻される。バルブ94はクーリング
ダウン時及び運転時とも開の状態にしている。

第３図に示したヘリウム入口配管92やヘリウム出口配管
93を取り去り、代わりに、連結管８の第１の熱遮へい体
５を貫通する貫通部のすぐ下部と下側の第１の冷却管51
とを接続する第１の接続配管52と、同じように、連結管
８の第２の熱遮へい体６を貫通する貫通部のすぐ上部と
上側の第１の冷却管61とを接続する第２の接続配管62と
を設けてある。これらの接続配管52,62を設けた結果、
連結管８の一部にヘリウムガスが流れる並列経路が形成
されている。すなわち、第１の接続配管52の連結管８へ
の接続部から第の接続配管52から始まって、第１の冷却
管51、連結配管55、第２の冷却管61、第２の接続配管62
を順次経て第二の接続配管62の連結管８への接続部に至
る経路である。

クールダウン作業のときには連結管８に弁７を挿入して
この部分のヘリウムガスの流通を遮断すると、第３図の
構成では直接連結管81を通って外部の大気空間に放出し
ていたヘリウムガスは、前述の並列経路を通ることにな
る。液体ヘリウム容器３から連結管８に入ったヘリウム
ガスは気化してすぐなので液体ヘリウムの蒸発温度であ
る4Kに近い極低温を維持している。このヘリウムガスが
第１の接続配管52を通って第１の冷却管51を通る間に第
１の熱遮へい体５を冷却する。熱遮へい体５を冷却し終
わって第１の冷却管51から出たヘリウムガスは連結配管
55を通って第２の冷却管61に入り第２の熱遮へい体６を
冷却しながら第２の冷却管61を通り、接続配管62を通っ
て連結管８に戻り外部に排出される。

前述のように、運転状態における第１の熱遮へい体の温
度は約20K、第２の熱遮へい体の温度は約80Kに保持され
るので、クールダウン作業においても液体ヘリウム容器
３から出た4Kのヘリウムガスは第１の熱遮へい体５を冷
却するのに充分低い温度であり、第１の熱遮へい体を冷
却した後の第１の冷却管51から出たヘリウムガスも第２
の熱遮へい体６を冷却するのに充分な低温を維持してい
るので、従来技術では連結管から直接放出していたヘリ
ウムガスを有効に使用してクールダウン作業を行うこと
ができる。そのため、前述のように、第３図で示した２
つの熱遮へい体5,6を冷却するために外部から液体ヘリ
ウムを供給するためのヘリウム入口配管92やヘリウム出
口配管93を省略することができるので、これに使用して
いたヘリウムを節約することができるとともに、これら
ヘリウム入口配管92、ヘリウム出口配管93を通って外部
から侵入する熱がなくなるので、運転時のヘリウム消費
量が減少するという効果が得られる。第１図のこの考案
では、２本の接続配管52,62はいずれも一定の温度の配
管を接続しているので、これら接続配管52,62によって
熱の侵入が増加することはない。

第２図はこの考案の別の実施例を示す断面図であり、第
１図と同じ構成体については同じ参照符号を付けて詳し
い説明を省略する。この図の第１図と異なる点の１つ
は、第２の接続配管63が第３図の従来技術と同じように
真空容器４を貫通して直接外部に連通していることと、
これに伴い連結管81の中にヘリウムガスの流れを遮断す
るための第１図の弁７がないという点であり、もう１つ
は、第１の接続配管が液体ヘリウム容器３に直接連結し
ているという点である。なお、この実施例の場合、クー
リングダウン時には排出配管91のバルブ94は閉の状態に
して液体ヘリウム容器３から放出されるヘリウムガスを
全て２つの冷却管51,61に流れるようにしている。

第２の接続配管63を第３図と同じに真空容器４を貫通し
て外部に連通しているので、ベローズ631が設けられて
あるもののこの第２の接続配管63からの熱侵入があると
いう点で前述の第１図の実施例に比べて劣るが、連結管
８には第１図の弁７を設ける必要がないので、弁７の弁
棒71を通る熱侵入はなく、また、弁７の弁作用が不完全
なためにこの部分でヘリウムガスが濡れて、２つの冷却
管51,61による冷却効果が減退する恐れがないなどの特
長がある。

第１の接続配管53には第１の熱遮へい体５と液体ヘリウ
ム３とを熱的に連結するので熱遮断のためにベローズ53
1を設けてある。液体ヘリウム容器３に直接連結して連
結管81には連結しないので、連結管81は前述の第２の接
続配管61も連結しないこととも合わさって連結管81は第
３図の連結管81と同じ簡単な構造を採用することができ
る。

第１図では第１の接続配管52を連結管８に連結した構成
を図示してあるが、この実施例に第２図の第１の接続配
管53の構成を適用して差し支えなく、第１の接続配管6
2,63と第２の接続配管52,53の組み合わせに制約はな
い。製作上の容易性などから適用する極低温冷却装置の
仕様に応じて考えられる４つの組み合わせの内の最良の
ものを使い分ければらい。

〔考案の効果〕

この考案は前述のように、液体ヘリウム容器から直接、
又は、連結管から分岐して液体ヘリウム容器と第１の冷
却管を連通する第１の接続配管を設けることにより、液
体ヘリウム容器内の液体ヘリウムが蒸発することによっ
て放出するヘリウムガスがこの第１の接続配管を通って
第１の冷却管に流入するので、２つの冷却管にヘリウム
ガスを供給するためのヘリウムガス供給装置が不要とな
る。また、ヘリウムガス入口配管を省略でき、これに接
続される第１の接続配管を真空容器の外部に引き出す必
要がないので、ヘリウムガス入口配管からの熱侵入がな
くなるので、運転時の液体ヘリウムの蒸発量が減少し運
転コストが低減する。

ヘリウムガスは第１の冷却管、連結配管、第２の冷却管
を流れ、第２の接続配管を介して外部に放出されるが、
この第２の接続配管を連結管の第２の熱遮へい体を貫通
する位置の外部側すぐに連結し、この連結位置よりすぐ
内部側に外部から挿入取出し可能の弁を挿入して連結管
内のヘリウムガスの流通を遮断して連結管を介してヘリ
ウムガスを放出する構成とすることにより接続配管が真
空容器を貫通しない構成とすることができる。液体ヘリ
ウム容器に発生したヘリウムガスは前述の弁に遮断され
て直接外部に放出されず全て２つの冷却管を流れた上で
外部に放出される。このような構成により、第１の接続
配管を真空容器を貫通させる必要がなくなるのでこの第
１の接続配管の熱遮断用のベローズを省略することがで
き、また、第１の接続配管を通る熱侵入を防止すること
ができるので、運転時の液体ヘリウムの蒸発量が減少す
ることになり極低温冷却装置の運転コストが更に低減す
る。

第２の接続配管を従来技術と同じく真空容器を貫通して
直接外部に連通する構成とすることにより、連結管に弁
を設ける必要がなくなるので、弁からヘリウムガスが漏
れて冷却管による熱遮へい体の冷却効果が減退するとい
う問題が発生する恐れがなく、また、連結管の構造が簡
単になって製作が容易になる。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの考案の実施例を示す断面図、第２図はこの
考案の別の実施例を示す断面図、第３図は従来技術の例
を示す断面図である。 １…超電導コイル（被冷却体）、２…液体ヘリウム、３
…液体ヘリウム容器、４…真空容器、５…第１の熱遮へ
い体、51…第１の冷却管、52,57…第１の接続配管、55
…連結配管、６…第２の熱遮へい体、61…第２の冷却
管、62,67…第２の接続配管、７…弁、71…弁棒、8,81
…連結管、82,83,84,531,551,631…ベローズ、91…排出
配管、92…ヘリウム入口配管、93…ヘリウム出口配管、
94,95…バルブ。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】被冷却体を収納し液体ヘリウムを充填する
   液体ヘリウム容器と、この液体ヘリウム容器を収納し内
   部を真空に保持する真空容器と、この真空容器と前記液
   体ヘリウム容器との間を隔てて熱遮へいする第１の熱遮
   へい体と、この第１の熱遮へい体と前記真空容器を隔て
   て熱遮へいする第２の熱遮へい体と、これら第１と第２
   の熱遮へい体を貫通し前記液体ヘリウム容器の内部空間
   と前記真空容器外部の大気空間とを連通する連結管と、
   前記第１の熱遮へい体に固着して設けられた第１の冷却
   管と、前記第２の熱遮へい体に固着して設けられた第２
   の冷却管と、第１の冷却管と第２の冷却管とを連通する
   連結配管と、前記第１の冷却管にヘリウムガスを流入さ
   せる第１の接続配管と、前記第２の冷却管からヘリウム
   ガスを流出させる第２の接続配管とを備え、前記被冷却
   体を冷却する作業としてのクーリングダウンの際に、前
   記第１と第２との冷却管にヘリウムガスを通してそれぞ
   れの熱遮へい体を冷却する極低温冷却装置において、前
   記第１の接続配管が前記液体ヘリウム容器に発生するヘ
   リウムガスを前記第１の冷却管に導いてなることを特徴
   とする極低温冷却装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、第２の接続
   配管が連結管の第２の熱遮へい体を貫通した位置の真空
   容器側と第２の冷却管とを連通し、前記連結管の内部の
   第２の接続配管の開口位置のすぐ内部側に設けられて連
   結管内を通るヘリウムガスをこの位置で遮断する挿入取
   出し可能の弁とを備えたことを特徴とする極低温冷却装
   置。
3. 【請求項３】請求項１記載のものにおいて、第２の接続
   配管が真空容器を貫通して外部に引き出されてなること
   を特徴とする極低温冷却装置。