JPS6294774A - ガス循環による輻射シ−ルドの冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明はＮＭＲ（核磁気共鳴）、５ＱＵＩＤ（超電導磁
気センサ）等の極低温における磁気特性等の諸測定に供
せられるデユワ−装置に関し、特にその輻射シールドを
冷却する方法に係るものである。

［従来の技術］ 上記デユワ−装置における輻射シールドの冷却は、侵入
する輻射熱を抑え、内部に収納された液体ヘリウム等の
極低温液体ガスの温度を安定させ、蒸発を抑えることに
より、ΔＩＩＩ定環境全環境条件下に整えるため、極め
て重要なことである。

このため、既に収納されている極低温液体ガスの蒸発ガ
スを、輻射シールドに密着巻きとした冷却コイル内に流
して輻射シールドを冷却するという方法がとられている
が、同法だけによるときは、輻射シールドの冷却が不充
分である上、その温度もや１不安定となるため、最近で
は別途用意した冷凍機によって冷媒ガスを冷却して同ガ
スを輻射シールド冷却ガスとして循環使用することが行
われている。

一方、デユワ−装置では震動を鎌うが、これは震動が磁
場を乱して、正確な測定を妨げるからであり、従って、
上記の如く冷凍機を用いて輻射シールドを冷却しようと
すれば、冷凍機等の震動がデユワ−装置に伝わらないよ
うにする対策が必要となる。

このため、上記の両要求を満たすべく、輻射シールドの
冷却方法が種々研究されてきているが、熱損失が少なく
、しかもデユワ−装置に震動を伝えないという条件を両
立させ得るものはまだ実現されていない。

すなわち、こ〜で従来の改良例を第２図により説明して
みると、ａは通常用いられている２段冷却機の要部を、
ｂはデユワ−装置の一部を断面により示している。

同図では、冷凍機ａの震動をデユワ−装置すに伝えない
ために、これら両者を離隔的に設置し、冷却機ａの第１
段冷端部ａ１と第２段冷端部ａ２に熱交換用のコイルＣ
Ｉ、Ｃ２を巻きつけて、冷凍出力を取り出すようにし、
当該コイルｃ１．ｃ２内に封入されているヘリウムガス
等の冷媒ガスを。

こ−で冷却し、当該ガスをポンプｄ１．　ｄ２等の圧送
手段により供給管ｅｌ、　ｅ２を介して圧送し、これに
よってデユワ−装置すの真空断熱空間ｆ内に設けられた
。一般的には多層に形成された輻射シールドｇ・・・の
外側面に熱的緊密状態で巻きつけられている輻射シール
ド冷却コイルｈ・・・に導くことで、輻射シールドｇ・
・・を冷却し、さらに戻し管＋１．　＋２　　を通じて
冷凍機ａに戻す循環系を形成するようにした方法である
。

上述方法によるときは、冷凍機ａがデユワ−装ｍｂから
離れており、しかも、この際供給管ｅｅ　　・戻し管ｉ
、、　＋２として、フレキシブル１°　　２ チューブを用いれば、デユワ−装置すに震動が伝わるこ
とはなくなるのであるが、両者が離隔配置であるため、
どうしても熱損失の面では大きな問題が残ること〜なる
。

すなわち、上記の場合当然のことながら、特に供給管ｅ
１．　ｅ２には断熱手段が施されているもの＼、実際上
、冷凍機ａの冷端部ａｔ、ａ２によって所定の温度、例
えば、２０°にとなし、これを供給管ｅ１．　ｅ２によ
りデユワ−装置に移送したとすれば、当該２０°にと常
温との間には大変な温度差があるだけに、可成り大きな
熱損失、昇温を伴うこと！なり、とても所定の２０°に
といった温度のまヘデュワー装置すに移送することは不
可能である。

また、これだけでなく冷凍機ａ、デユワ−装置すを離し
て設置しなければならないため、大型装置になる程、そ
の設置スペースが問題となり、更に、特に供給ラインｅ
１．　［！２等の断熱性能について、これを維持、管理
しなければならないという問題点もある。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は上述従来の問題点を解決しようとしたもので、
デユワ−装置との接合部に振動吸収対策な施した上で、
デユワ−装置と冷却器とを連設一体化し、かつ、前記ヘ
リウムガス等による冷媒ガスの系統を外部常温雰囲気に
配置するが、デユワ−装置の真空断熱層内に設けた戻り
ガスとの熱交換器を介して、冷凍機の冷凍出力部分であ
る冷端部の熱交換フィンにより、当該冷媒ガスを冷却し
、これを直接デユワ−装置の輻射シールド冷却コイルに
導くようにすることで磁場を乱す要因でもある振動をデ
ユワ−装置に伝えることなく、シかも冷凍機より得た冷
凍出力を殆ど熱損失なしで、有効に利用し、輻射シール
ドの安定した冷却を行い得るようにしようとするのが、
その目的である。

［問題点を解決するための手段］ 即ち本発明は、液体ヘリウム等の極低温液化ガスを収納
するためのデユワ−装置にあって、その輻射シールドを
循環ガスによって冷却する方法であり、冷凍機とデユワ
−装置は、該デユワ−装置に設けた凹部に冷凍機の膨張
器部分を空隙部を保った状態で嵌入して、当該冷凍機の
冷端部がデユワ−装置の輻射シールドと至近距離となり
、かつ、ベローズ等の震動吸収部材を介して連設され一
方、冷却ガス循環系統にあって、ポンプ等のガス圧送機
器、バッファタンク、フィルター等を介在する冷却ガス
供給系統と、戻り系統とは、外部常温域に配置しておき
、当該供給系統による供給ガスを上記デユワ−装置の真
空断熱層部に内装した戻りガスとの熱交換器を介して、
上記空隙部に導き、該空隙部内の冷端部に設けた熱交換
用フィンにて冷却した後、デユワ−装置の輻射シールド
冷却コイルに導き、これを冷却した後、上記熱交換器を
通して外部戻り系統に戻す冷却サイクルによって上記輻
射シールドを冷却するようにして、上記問題点を解決し
たものである。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳述する。

先づ、本発明方法を実施するのに適用される装置につい
て説示する。

第１図に示したように、こ−では冷凍機１として、２段
冷凍機を、デユワ−装置２としてＮＭＲ（核磁気共鳴）
等に用いられるドーナツ型のものが用いられている。

上記冷凍ａ１における膨張器３の冷端部４．５には、各
々銅、アルミニウム等の熱伝導材よりなる熱交換用のフ
ィン４ａ、　５ａを、多数枚、熱的に、緊密状態で溶接
、ロウ接等の手段で、取り付け、膨張器３の外周には、
滑りが良く、耐摩耗性に優れ、低温に絶える材料１例え
ば、ポリエステルフィルム等を緩めに巻きつけておく。

更に、冷凍ｆｉｔの蓄冷器Ｂ上からは膨張器３を囲む状
態でベローズ７を、フランジ７ａなどを用いて立設し、
この際図示しない０リング、パツキン等を用いてシール
する。

このように形成した冷凍機１上に、デユワ−装置２を次
のように載設する。

すなわち、このデユワ−装置２には、その下部に膨張器
３を空隙部８ａをもって被嵌する凹部８が設けられてい
る接合用突出部９を具有させるのでありその内部は、デ
ユワ−装置本体２と連通して真空断熱状態となっている
。

このデユワ−装置２は、その凹部８に膨張器３が嵌入す
るようにして被嵌すると共に、前記ベローズ７のフラン
ジ７ｂを０リング等を介して接合用突起部９に締め付は
固定するのであり、同装置２は定位置に設置されるよう
、床上１０に取り付けられた架台１９上に載置され、図
中８ａ、　８ｂ、　１９ａ。

１９ａ’、　１９ｂ、　１９ｂ’は、ゴム等による防振
脚台を示している。

一方、冷却ガス循環系統１１であるが、ガスの圧送、浄
化処理等のための機器を含む供給系統１１ａと戻り系統
１１ｂは外部常温域に設置しておき、これら　ｌｌａ、
　ｌｌｂが連結される熱交換機１２以降の部分が低温域
もしくは真空断熱域に設置されている。

次に上記装置を用いて本発明を実施する場合について詳
述する。

外部常温域にあって、ポンプ１３等のガス圧送手段によ
り圧送されたヘリウムガス等の冷媒ガスは、先ず、当該
ポンプ１３による昇温を解消するために、クーラー１４
にて冷却され、フィルター１５、調節バルブ１６等を通
り、供給系統１１ａを経て、デユワ−装置２の真空層２
ｂに進入する。

次いで、同真空層２ｂに内設の熱交換器１２に入り、こ
−で輻射シールド２ｃ・・・からの戻りガスと熱交換が
行われる。

この戻りガスは輻射シールド２ｃ・・・を冷却すること
で、昇温状態となっているもの＼、常温に比しては充分
に低温（１００°に程度）であり、約３００’にの程度
の常温で供給されてきた供給ガスを、はぼ１００”Ｋ程
度まで予冷することができる。

予冷された供給ガスは、空隙部８ａの第１段冷端部４付
近に導かれ、フィン４ａを通って６０”Ｋ程度まで冷却
された後、空隙部８ａを上昇し、第２段冷却端部５のフ
ィン５ａを通って更に冷却され、目標温度である約２０
’Ｋに達した後、至近距離にあるデユワ−装置２にあっ
て、その輻射シールド２Ｃ・・・に、熱的に緊密状態で
巻かれている輻射シールド冷却コイル２ｄ・・・を通る
ことで輻射シールド２Ｃ・・・を冷却し、冷却コイル２
ｄ・・・の出口端部より流出して、上記の如き熱交換を
熱交換器１２によって行った後、外部である戻り系統１
１ｂを通ってバッファタンク１７等を通りポンプ１３の
吸入口へと帰還するに至る。

以上が冷媒ガスの全サイクルであって、冷媒ガスは段熱
していない常温域と、２０”Ｋに至る極低温域の極めて
温度差の大きな青域を循環しているが、熱的なサイクル
のみに着目すれば、熱交換器（１００’Ｋ）−第１段冷
端部（６０’　Ｋ）→第２段冷端部（２０°Ｋ）→冷却
コイル（２０゜Ｋ〜１００”Ｋ）→熱交換器（１００’
Ｋ）・・・という短かいサイクルで形成されており、冷
端部４゜５がデユワ−装置２の内部まで入り込んだ至近
距離となっていることからも、熱の移動はデユワ−装置
２の内部で行われているに過ぎないといってよく、従っ
て、冷凍機ｌで目標の２０’Ｋを得たとしても、デユワ
−装置に移送する間に熱損失を招き大巾な温度上昇をも
たらすという問題は解消される。

同時に当該実施例ではデユワ−装置２と冷凍機ｌとはベ
ローズ７等の振動吸収部材で連設されているだけでなく
、膨張器３と、デユワ−装置２とのなす空隙部８ａには
、ポリエステルフィルム等を緩めに巻き付けておくこと
によって、膨張器３の微小な横揺れも吸収され、デユワ
−装置２への振動伝達が阻止されている。

更に加えて、ポンプ１３を含めた付帯機器類は、すべて
常温下の運転となるため、耐低温使用である必要がなく
なり、又断熱されていないので、保守管理も容易となっ
て、設備費、保守費も高価につかない。

尚、前述の実施例にあっては、蒸発ガス併用による輻射
シールドの冷却によっており、デユワ−装置２内の液体
ヘリウム等による極低温液化ガス１８の蒸発ガスを内部
から輻射シールド２Ｃ・・・に導き、前記、循環冷却ガ
ス用冷却コイル２ｄ・・・と並行して巻き付けている蒸
発ガス用冷却コイル２ｅ・・・を通して外部に排気させ
るようにしている。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係る冷却方法は、循環ガス
によりデユワ−装置の輻射シールドを冷却するものであ
るから、磁場を乱す要因である震動をデユワ−装置に伝
えることなく、かつ、冷凍機１より得た冷凍出力を可及
的に少ない熱損失により有効に、しかも安定的に輻射シ
ールド２Ｃ・・・の冷却に利用し得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガス循環による輻射シールドの冷
却方法を実施するのに用いられる冷却装置の一例を示す
縦断面図、第２図は従来のガス循環による輻射シールド
の冷却方法に用いられる冷却装置の一例を示す一部の断
面図である。 １・・・・・・・・・・・・冷却機 ２・・・・・・・・・・・・デユワ−装置２ｂ・・・・
・・・・・真空断熱層部 ２Ｃ・・・・・・・・・輻射シールド ２ｄ・・・・・・・・・輻射シールド冷却コイル３・・
・・・・・・・・・・膨張器 ４．５・・・・・・冷端部 ４ａ・・・・・・・・・熱交換用フィン５ａ・・・・・
・・・・熱交換用フィン７・・・・・・・・・・・・ベ
ローズ ８・・・・・・・・・・・・凹部 ８ａ・・・・・・・・・空隙部 １１・・・・・・・・・冷却ガス供給系統１１ａ・・・
・・・供給系統 Ｉｌｂ・・・・・・戻り系統 １２・・・・・・・・・熱交換器 １３・・・・・・・・・ポンプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液体ヘリウム等の極低温液化ガスを収納するためのデュ
   ワー装置にあって、その輻射シールドを循環ガスによっ
   て冷却する方法であり、冷凍機とデュワー装置は、該デ
   ュワー装置に設けた凹部に冷凍機の膨張器部分を空隙を
   保った状態で嵌入して、当該冷凍機の冷端部がデュワー
   装置の輻射シールドと至近距離となり、かつ、ベローズ
   等の震動吸収部材を介して連設され、一方、冷却ガス循
   環系統にあって、ポンプ等のガス圧送機器、バッファタ
   ンク、フィルター等を介在する冷却ガス供給系統と、戻
   り系統とは、外部常温域に配置しておき、当該供給系統
   による供給ガスを上記デュワー装置の真空断熱層部に内
   装した戻りガスとの熱交換器を介して、上記空隙部に導
   き、該空隙部内の冷端部に設けた熱交換用フィンにて冷
   却した後、デュワー装置の輻射シールド冷却コイルに導
   き、これを冷却した後、上記熱交換器を通して外部戻り
   系統に戻す冷却サイクルによって、上記輻射シールドを
   冷却するようにしたことを特徴とするガス循環による輻
   射シールドの冷却方法。