JPS63118568A - 極低温冷却装置 - 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〕 この考案は、例えば液体ヘリウム内に浸漬された超電導
マグネットを被冷却体としてこの被冷却体を該被冷却体
を包囲する熱遮蔽体とともに真空容器内に一括収容し、
かつ冷凍機により前記熱遮蔽体を冷却して真空容器の外
部より侵入する輻射熱を除熱することにより、真空容器
内の中心部に五かれた被冷却体を極低温冷却状態に維持
させるようにした冷凍機付きクライオスタンドを対象と
する極低温冷却装置の構成に関する。

〔従来の技術〕

まず頭足した極低温冷却装置の従来構成を第３図に示す
０図において１は極低温で作動する例えば磁気共鳴を利
用する医療機器の超電導マグネットである被冷却体、２
は前記被冷却体を液体ヘリウム３に浸漬して収容した内
部容器、４は前記内部容器２を中央に置いて収容した真
空容器であり、該真空容器４の内方には前記内部容器３
の外周を包囲してさらに内外複数段の２８′ａ蔽体５，
６が配備されている。なお７は真空容器内の高真空空間
を示し、また前記内部容器２および熱遮蔽体５゜６は図
示されてない断熱支持体を介して真空容器４に支持され
ている。

一方、真空容器４の頂部中央には冷凍機裾付用窓が開口
されており、この部分にギフオード・マクマホンサイク
ル、ツルベイサイクル、スターリング逆サイクル等の熱
サイクルに基づく閉サイクル冷凍機の膨張機８が取付は
フランジ８Ｂにより前記開口窓を気密封止するように固
定ポルｌ−８ｂを介して着脱可能にボルト締めして据付
けられており、かつ膨張機本体から真空容器内に突き出
す上下２段構造のシリンダの寒冷発生部９Ａ、　９Ｂの
先端周面部には良熱伝導金属製で作られたフランジ形の
伝熱端子１０Ａ、　ＩＯＢが固着されている。

また後述する冷凍機のメインテナンス作業に際して真空
容器４内の高真空空間７の真空を破らずに膨張機８を真
空容器４から取り外すことができるようにするために、
真空容器４の内方には前記膨張機８の寒冷発生部９Ａ、
　９Ｂを包囲して真空容器４の高真空空間７と膨張機８
との間を隔離するように有底形の気密内筒１１が設置さ
れている。この気密内筒１１はその内方が前記した真空
容器４の膨張機裾付は面に開放しており、その構造は良
熱伝導金属製の底板フランジ１２．リング状の中間フラ
ンジ１３．前記フランジ１２と１３との間を気密結合し
た伝熱抵抗の大きな材料で作られたベローズ１４゜およ
び一端をフランジ１３に他端を真空容器４の開口端に気
密結合したベローズ１５との組合せ体として成る。また
前記フランジ１２．１３の外周端はそれぞれ可撓性の伝
熱部材１６を介して売足した熱遮蔽体５．６に伝熱的に
接続されており、さらに気密内筒１１の内方側にて前記
フランジ１２．１３の上面には売足した膨張機８例の伝
熱端子１０Ａ、　ＩＯＨの面と密着して伝熱的に接触し
合う可動式の伝熱端子板１８＾、１８Ｂが可撓性伝熱部
材１９．圧縮付勢ばね２０を介して取付は支持されてい
る。なお２１はベローズ１４、１５の伸縮を許容して前
記フランジ１２．１３を遊嵌支持した断熱支持弾である
。

さらに前記気密内筒１１の内方空間に向け、真空容器４
の頂部フランジ部を貫通して外部よりガス導管２１が引
き込み配管されており、かつ該ガス導管２１は弁２２．
２３を介して真空ポンプ２４．およびヘリウムガス等の
不活性ガス源に接続されている。

ここで真空ポンプ２４は冷凍機の運転に際して気密内筒
１１の内方空間を真空引きして空気を排除し、寒冷発生
部、およびその周辺部材等に着氷が発生するのを抑える
ためのものであり、また後述のようにメインテナンスに
際して冷凍機の膨張機８を真空容器４から取り出す場合
には、ガス導管２１を通じて気密内筒１１の内部への外
気侵入を抑えるように不活性ガスを送り込んでガス置換
を行う。

かかる構造により膨張機８の寒冷発生部９Ａ、　９８と
熱遮蔽体５，６との間に伝熱端子１０Ａ、　ｌ０Ｂ−伝
熱端子板１８Ａ、　１８Ｂ−可撓性伝熱部材１９−フラ
ンジ１２）１３−可撓性伝熱部材１６−熱遮蔽体５．６
に至る伝熱路が構成される。ここで気密内筒１１の内方
空間を真空引きした状態で冷凍機を運転して熱遮蔽体５
．６を極低温に冷却することにより、真空容器４を通じ
て外部より侵入した輻射熱が被冷却体である超電導マグ
ネット１および液体ヘリウム２を収容した内部容器３に
到達する以前の段階で熱遮蔽体５．６より除熱され、超
電導マグネットｌを極低温冷却状態に安定維持させるこ
とができるようになる。

一方、前記した冷凍機の膨張機８は規定の運転時間が経
過した時点で、そのシールリング交換等のメインテナン
スを行う必要があり、このためにには膨張機８を真空容
器４から一旦取り外し、メインテナンス後に再び真空容
器４に据付ける作業が必要となる。この場合には、前記
したガス導管２１を通じて気密内？！ｉｌｌの内方空間
へ外部より寒冷発生部の冷却温度で凝縮しないヘリウム
等の不活性ガスをブローして外気の侵入を抑えるように
ガス置換しつつ膨張［８を真空容器４から引出し、その
後に真空容器４の頂部開口面を盲蓋で仮封止する。これ
より膨張機８の取り外し過程で外気の侵入を抑えて寒冷
発生部およびその周辺に着氷が発生するのが防止しつつ
、さらに冷凍機を取り外した期間中に外部からの熱侵入
を抑えて超電導マグネット１の極低温維持を図る。また
メインテナンス作業の終了後に再び冷凍機の膨張機８を
組込む場合には、気密内筒１１内に不活性ガスをブロー
して外気の侵入を防止しつつ、前記盲蓋を外して膨張機
８を据付けてその寒冷発生部９Ａ、　９Ｂ側の伝熱端子
１０Ａ、　ＩＯＢを相手側の伝熱端子板１８Ａ、　１８
Ｂに伝熱接合させ、この状態で再び気密内筒１１の内方
を真空引きした上で冷凍機を運転再開する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで上記した従来構成では、膨張［８の据付は状態
で膨張機８の寒冷発生部に固着した伝熱端子１０Ａ、　
１０Ｂとこれに接触する相手側の伝熱端子板１８Ａ、　
１８Ｂとは圧縮ばね２０のばね力により加圧接触し合っ
ている。しかしてこの場合にばばね荷重がそのまま膨張
機８の寒冷発生部９Ａ、　９Ｂに加わることから、付勢
ばね２０のばね力、したがって膨張機側の伝熱端子１０
Ａ、　１０Ｂと熱遮蔽体側の伝熱端子板１８Ａ、　１８
Ｂとの間の接触圧力は寒冷発生部９Ａ、　９Ｂの機械的
強度から規制された許容荷重以下に制限されることにな
り、この結果として伝熱端子相互間の伝熱抵抗を充分に
低めることが困難となる。

しかも伝熱端子接触部の伝熱抵抗が高いと、冷却運転時
にはこの部分に温度降下が生じて高い熱伝導性が得られ
ず、熱遮蔽体５，６を効率よく極低温まで冷却すること
が困難となる。

この発明の目的は、膨張機側の伝熱端子と熱遮蔽体に連
なる固定側の伝熱端子板との間を膨張機の機械的強度に
制約されることなく強固に接合して該接触部の伝熱抵抗
を低く抑えることにより、膨張機と熱遮蔽体との間に伝
熱性の高い伝熱経路を確保して効率よく冷却運転できる
ようにした極低温冷却装置の構成を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、この発明によれば、被冷
却体および該被冷却体を包囲する熱遮蔽体を一括収容し
た真空容器の内部に高真空空間と隔離して有底形の気密
内筒を設け、かつここへ真空容器の開口部に着脱可能に
据付けた冷凍機の膨張機の寒冷発生部を収容するととも
に、前記熱遮蔽体より引出して気密内筒内に露呈配備し
た固定側伝熱端子板の板面上に膨張機の寒冷発生部に固
着した相手側の伝熱端子を接触させて膨張機の寒冷発生
部と熱遮蔽体との間に伝熱経路を形成し、冷凍機の運転
により熱遮蔽体を冷却するようにした極低温冷却装置に
おいて、前記膨張機側の伝熱端子と固定側の伝熱端子板
とを当接させた状態で両者間をボルト締結して伝熱結合
するものとする。

〔作用〕

上記の構成により、膨張機の据付は状態で膨張機側の伝
熱端子とこれに当接する固定側の伝熱端子板との間を強
固にボルト締結することにより、両者間の接触伝熱抵抗
が低値に抑えられ、これにより膨張機と熱遮蔽体との間
には従来のばね加圧による接触方式と比べてより伝熱性
の高い伝熱経路を確保することができるようになる。

〔実施例〕

第１図、第２図はこの発明の実施例による要部構成を示
すものであり、第３図に対応する同一部材には同じ符号
が付しである。すなわち図示実施例では第３図に示した
可動式伝熱端子板１８Ａ、　１８Ｂおよびこれに付属す
る可撓性伝熱部材１９．付勢ばね２０が省略され、膨張
４！１８の据付状態では膨張機８の寒冷発生部９Ａ、　
９Ｂの周面に固着された伝熱端子１０Ａ、　ＩＯＢがそ
れぞれ気密内筒１１のフランジを兼用する固定側の伝熱
端子板１２．１３の板面上に直接当接され、ここで両者
の間が締結ボルト２５．２６で強固に締結結合されてい
る。なお伝熱端子板１２゜１３は第３図と同様に可撓性
伝熱部材１６を介して熱遮蔽体５．６に伝熱結合されて
いる。

ここで前記伝熱端子１０Ａ、　１０Ｂを含めた膨張機８
の外形を第２図に示すと、まず下段側の寒冷発生部９Ａ
に固着された伝熱端子１０Ａは寒冷発生部の両側に張り
出した方形板と成り、その板面上には締結ボルト２５に
対応するボルト穴２５Ａが穿孔されている。一方、上段
側の寒冷発生部９Ｂに固着された伝熱端子１０Ｂは円板
であり、その板面上には前記ボルト穴２５Ａと軸線を合
わせてボルト２５の締付用工具を上方より挿入する工具
挿入穴２５Ｂと、該穴２５Ｂと９０度ずらした位置に締
結ボルト２６に対応するボルト穴２６＾が穿孔されてい
る。さらに膨張機８の取付はフランジ８ａの周面上には
膨張機８を真空容器４に据付は固定するための固定ポル
）８ｂに対応したボルト穴８Ｃの他に、前記のボルト穴
２５Ａ。

２６＾に軸線を合わせて工具挿入穴２５Ｃ，２６Ｂが穿
孔されている。すなわち各締結ポル）２５．２６にそれ
ぞれ対応して伝熱端子１０Ａ、　ＩＯＢおよび取付はフ
ランジ８ａには同一軸線上にボルト穴２５＾、工具挿入
穴２５Ｂ、　２５Ｃ１およびボルト穴２６＾、工具挿入
穴２６Ａが並んで穿孔されている。さらに膨張機８の取
付フランジ８ａに穿孔した工具挿入穴２５Ｃ，２６Ｂに
は第１図に示した気密封止用の封栓２７が着脱可能に取
付けられている。

次に上記構造による膨張機８の据付方法に付いて述べる
と、まず膨張機の寒冷発生部に固着した上下各段の伝熱
端子１０Ａ、　ＩＯＢのボルト穴２５Ａ、　２５Ｂにそ
れぞれ締結ポル）２５．２６をセットした状態で、真空
容器４の上方より気密内筒１１の中へ膨張機８寒冷発生
部９Ａ、　９Ｂを吊り降ろし、この途中で下段側の伝熱
端子１０Ａを第１図に示した固定側の伝熱端子板１３の
中央に切欠かれた方形状の貫通穴２Ｂを透過させ、さら
に膨張機全体の向きを９０度変えて固定側の伝熱端子板
１２の上に着地させる。この状態で次に膨張機８の取付
はフランジ８ａに穿孔したボルト穴８ａに固定ポル）８
ｃを通して真空容器４の上面に据付は固定する。続いて
取付はフランジ８ａおよび上段の伝熱端子１０Ｂに穿孔
した工具挿入穴２５Ｃ，２５Ｂを通して外方よりボルト
締付工具を挿入し、締結ボルト２５を締付けて伝熱端子
１０Ａと相手側の伝熱端子板１２とを強固に締結する。

さらに別な位置に穿孔されている工具挿入穴２６Ｂに締
結工具を挿入して締結ボルト２６を締付け、伝熱端子１
０Ｂと相手側の伝熱端子板１３との間を強固に締結する
。

そして最後に取付はフランジ８ａに開口している工具挿
入穴２５Ｃ，２６Ｂに封栓２７を装着して気密封止する
。なお前記した締結ボルトの締付操作に伴う固定側端子
板１２．１３の変位は気密内筒１１のベローズ１４、１
５によって吸収されるので、膨張機８の寒冷発生部には
何等の機械的荷重を掛けることなく伝熱端子間を強固に
締結でき、かくして該接触部の伝熱抵抗を低値に抑える
ことができるようになる。

また膨張機のメインテナンスに際して膨張機８を真空容
器４より取り外す場合には、前記操作を逆の順序で行う
ことにより伝熱端子間の締結ボルト２５．２６および固
定ポル）８ｃを外して膨張［８を真空容器外に取り出す
ことができる。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明によれば、被冷却体および該
被冷却体を包囲する熱遮蔽体を一括収容した真空容器の
内部に高真空空間と隔離して有底形の気密内筒を設け、
かつここへ真空容器の開口部に着脱可能に据付けた冷′
ｃＩ１ｇａの膨張機の寒冷発生部を収容するとともに、
前記熱遮蔽体より引出して気密内筒内に露呈配備した固
定側伝熱端子板の板面上に膨張機の寒冷発生部に固着し
た相手側の伝熱端子を接触させて膨張機の寒冷発生部と
熱遮蔽体との間に伝熱経路を形成し、冷凍機の運転によ
り熱遮蔽体を冷却するようにした極低温冷却装置におい
て、前記膨張機側の伝熱端子と固定側の伝熱端子板とを
当接させた状態で両者間をボルト締結して結合した構成
とすることにより、冷凍機の膨張機を真空容器に据付け
た状態で、膨張機の寒冷発生部に何等機械的な荷重を加
えることなしに膨張機側の伝熱端子と熱遮蔽体に連なる
固定側の伝熱端子板との間の接触伝熱抵抗を低く抑えて
結合することができ、これにより冷凍機の膨張機と熱遮
蔽体との間に熱伝導性の高い伝熱経路を確保して極低温
冷却装置の冷却性能の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す要部の構成断面図、第２
図は第１図における膨張機の外形斜視図、第３図は従来
における極低温冷却装置全体の構成断面図である。各図
において、 １：被冷却体、４：′Ｘ空容器、５．６：熱遮蔽体、７
二高真空空間、８：冷凍機の膨張機、８ａ：膨張機の取
付はフランジ、８ｂ：固定ボルト、９Ａ。 ９Ｂ：寒冷発生部、ＩＯＡ、　１０８：伝熱端子、１１
：気密内筒、１２，１３：気密内筒のフランジを兼ねた
固定側の伝熱端子板、１４，１５：ベローズ、２５，２
６：締結ボルト、２５Ａ、　２６Ａ　：ボルト穴、２５
８．２５Ｇ、２６８　　：締付工具挿入穴、２７：封栓
。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被冷却体および該被冷却体を包囲する熱遮蔽体を一
   括収容した真空容器の内部に高真空空間と隔離して有底
   形の気密内筒を設け、かつここへ真空容器の開口部に着
   脱可能に据付けた冷凍機の膨張機の寒冷発生部を収容す
   るとともに、前記熱遮蔽体より引出して気密内筒内に露
   呈配備した固定側伝熱端子板の板面上に膨張機の寒冷発
   生部に固着した相手側の伝熱端子を接触させて膨張機の
   寒冷発生部と熱遮蔽体との間に伝熱経路を形成し、冷凍
   機の運転により熱遮蔽体を冷却するようにした極低温冷
   却装置において、前記膨張機側の伝熱端子と固定側の伝
   熱端子板とを当接させた状態で両者間をボルト締結して
   伝熱結合したことを特徴とする極低温冷却装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の極低温冷却装置におい
   て、膨張機が取付けフランジを介して真空容器に据付け
   られており、かつ前記フランジには伝熱端子側の締結ボ
   ルトを器外よりボルト操作するための工具挿入穴、およ
   び該穴を封止する封栓を設けたことを特徴とする極低温
   冷却装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載の極低温冷却装置におい
   て、気密内筒が熱遮蔽体側に接続された伝熱端子板をと
   ベローズとの組合せ体として成ることを特徴とする極低
   温冷却装置。