JP2005291629A - 冷媒循環装置および冷媒循環方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒を効率よく低コストで再液化させることができるヘリウム循環装置およびヘリウム循環方法の提供。
【解決手段】 ヘリウム循環装置２０は、およそ４Ｋの液体ヘリウムを貯留するデュワー３と、ＧＭ冷凍機２２に接続されており、ヘリウムガスを再液化させる凝縮器４０と、デュワー３内のヘリウムガスの一部をＧＭ冷凍機２２に導くと共に、ＧＭ冷凍機２２により冷却されたヘリウムガスをデュワー３に返送するための第１回収管Ｌ１０、冷却管Ｌ１１およびガス管Ｌ１２を含む第１の系統と、デュワー３内のヘリウムガスの一部を凝縮器４０に導くと共に、凝縮器４０で液化したヘリウムをデュワー３に返送するための第２回収管Ｌ２０および返送管Ｌ２１を含む第２の系統と、凝縮器４０に設けられたヒータ４１と、デュワー３の器内圧力に応じてヒータ４１を制御する制御ユニット１００とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、極低温の液体ヘリウム等の冷媒を貯留する貯留槽と、冷凍機に接続された凝縮器との間で冷媒を循環させる冷媒循環装置および冷媒循環方法に関する。

従来から、生体磁気計測システム、心磁計、ＮＭＲ装置、ＭＲＩ装置等といった計測器等の冷却には、極低温（およそ４Ｋ）の液体ヘリウムが冷媒として用いられている。かかる液体ヘリウムは、希少な資源であると共に比較的高価なものであることから、冷却過程で発生したヘリウムガスを大気に開放してしまうのは好ましいことではない。このため、ヘリウムガスの再利用を可能とするための技術として、極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて貯留槽に返送するヘリウム循環装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）

上述のヘリウム循環装置は、ヘリウムをおよそ４Ｋにまで冷却可能なギフォードマクマホンサイクル冷凍機（以下、「ＧＭ冷凍機」という）と、このＧＭ冷凍機に接続された凝縮器と、貯留槽から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉する精製器とを含む。貯留槽で発生した低温（およそ４〜１０Ｋ）のヘリウムガスは、凝縮器に送られ、極低温の液体ヘリウムへと再液化させられる。また、貯留槽で発生した比較的高温（およそ３００Ｋ）のヘリウムガスは、循環ポンプによって回収されて精製器に導入され、そこでヘリウムガスから窒素や酸素といった不純物が除去される。精製器を通過したヘリウムガスは、ＧＭ冷凍機によって段階的に冷却された後、凝縮器に送られ、そこで極低温の液体ヘリウムへと再液化させられる。

特開平１０−１０５０７２号公報 米国特許第６，４４２，９４８号公報

しかしながら、上述の従来のヘリウム循環装置のように、貯留槽で発生したヘリウムガスを冷凍機により段階的に冷却した後、凝縮器で極低温の液体ヘリウムへと再液化させることは、効率面から見て必ずしも好ましいものとはいえない。また、ヘリウム循環装置については、配管（冷媒系統）をできるだけ少なくして装置全体のコストを低減させることも求められている。

そこで、本発明は、冷媒を効率よく低コストで再液化させることができるヘリウム循環装置およびヘリウム循環方法の提供を目的とする。

本発明の冷媒循環装置は、極低温の液状冷媒を貯留する貯留槽と、冷凍機に接続されており、冷媒を再液化させることができる凝縮器とを有し、貯留槽と凝縮器との間で冷媒を循環させる冷媒循環装置であって、貯留槽内の冷媒ガスの一部を冷凍機に導くと共に、冷凍機により冷却された冷媒ガスを貯留槽に返送するための第１の系統と、貯留槽内の冷媒ガスの一部を凝縮器に導くと共に、凝縮器で液化した冷媒ガスを貯留槽に返送するための第２の系統と、凝縮器に設けられたヒータと、貯留槽内の圧力に応じてヒータを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

この冷媒循環装置では、貯留槽内の冷媒ガスのうち、周囲から熱を奪ってある程度昇温した冷媒ガスが第１の冷却系統を介して冷凍機に導かれ、当該冷媒ガスは、冷凍機により冷却された後、貯留槽に返送される。これにより、冷媒ガスによって熱が貯留槽外に排出されるので、貯留槽内での冷媒の気化が抑制されると共に、貯留槽内の冷媒ガスの更なる昇温が抑制されることになる。そして、この冷媒循環装置では、ヒータを用いて凝縮器内の温度を調整することにより、第２の系統を介して凝縮器と連通する貯留槽内の圧力を所望の値に設定して、貯留槽内の液状の冷媒の量を所望値に保つことができる。

従って、この冷媒循環装置では、貯留槽内で気化した比較的低温の冷媒ガス（冷媒がヘリウムである場合、およそ４Ｋのヘリウムガス）を第２の系統を介して凝縮器に導き、凝縮器で液化した冷媒を貯留槽に返送するだけで、貯留槽内に常時充分な量の液状冷媒を確保することが可能となる。この結果、本発明によれば、貯留槽で気化した冷媒を冷凍機により段階的に冷却した後、凝縮器で再液化させるための系統を省略することが可能となり、冷媒を効率よく低コストで再液化させることができる。

この場合、第１の系統は、貯留槽内の冷媒ガスが貯留槽に侵入しようとする熱を奪って冷凍機に向かうように構成された領域を含むと好ましい。

このような構成を採用すれば、貯留槽への入熱を極めて確実に抑制することが可能となるので、貯留槽内での冷媒の気化と、貯留槽内の冷媒ガスの更なる昇温とを確実に抑制することができる。

また、本発明による冷媒循環装置は、第１の系統に接続されており、補充用の冷媒を貯留する補充用貯留手段を更に備え、補充用貯留手段から第１の系統の一部を介して冷媒を貯留槽内に供給可能であると好ましい。

このような構成を採用すれば、貯留槽内の冷媒の量が減少しても、冷媒を確実に補充することが可能となる。そして、補充用貯留手段から第１の系統の一部を介して冷媒を貯留槽内に供給することにより、貯留槽に冷媒を補充するための専用系統を設ける必要がなくなる。

更に、本発明による冷媒循環装置は、貯留槽内の液状冷媒の液面レベルを検出する液面検出手段を更に備え、制御手段は、液面検出手段の検出値に応じて、冷媒貯留手段から第１の系統の一部を介して貯留槽内に冷媒が供給されるようにすると好ましい。

このような構成を採用すれば、貯留槽内に常時所望量の冷媒を確保しておくことが可能となる。

本発明による冷媒循環方法は、極低温の液状冷媒を貯留する貯留槽と、ヒータを有すると共に冷凍機に接続された凝縮器との間で冷媒を循環させる冷媒循環方法であって、貯留槽内の冷媒ガスの一部を冷凍機に導き、冷凍機により冷却された冷媒ガスを貯留槽に返送すると共に、貯留槽内の圧力に応じて凝縮器のヒータを制御しながら、貯留槽内の冷媒ガスの一部を凝縮器に導き、凝縮器で液化した冷媒を貯留槽に返送することを特徴とする。

この場合、貯留槽内の冷媒ガスの一部が貯留槽に侵入しようとする熱を奪って冷凍機に向かうようにすると好ましい。

また、貯留槽内の液状冷媒の液面レベルが下限値以下となった場合に、補充用の冷媒を貯留する補充用貯留手段から貯留槽への冷媒の供給を許容し、液面レベルが所定値に達するまで、補充用貯留手段からの冷媒の供給を貯留槽内の圧力に応じて許容または規制しながら貯留槽内に冷媒を補充すると好ましい。

本発明によれば、冷媒を効率よく低コストで再液化させることができるヘリウム循環装置およびヘリウム循環方法の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明によるヘリウム循環装置を含む計測システムの一例である生体磁気計測システムを示す部分断面図である。生体磁気計測システム１は、脳の活動等を高時空間分解能で非侵襲的に計測可能な超電導量子干渉計（以下、「ＳＱＵＩＤ」という）２を備えており、人間の脳等から発せられる磁界を検出可能なものである。このＳＱＵＩＤ２は、その内部におよそ４Ｋの液体ヘリウムを貯留するデュワー（貯留槽）３に内包されており、デュワー３内の液体ヘリウムによって動作温度であるおよそ４Ｋに冷却される。

ＳＱＵＩＤ２およびデュワー３は、非磁性体の隔壁４により画成された磁気シールド室ＳＲ内に配置されている。図１からわかるように、デュワー３は、支持部材５によって、水平に延びる軸６の周りに回動自在に支持されており、デュワー３の下方には、図示されない座部および図示されないベッドが配置される。これにより、生体磁気計測システム１では、デュワー３を軸６の周りに回動（傾斜）させることにより、座部に着座した被検者またはベッドに横たわった被検者の脳等から発せられる磁界を計測することができる。

生体磁気計測システム１は、希少な資源であると共に比較的高価なヘリウムを有効に活用すべく、ＳＱＵＩＤ２の冷却によりデュワー（液体ヘリウム貯留槽）３内で気化したヘリウムを回収し、再液化させてデュワー３に返送するヘリウム循環装置２０を有している。ヘリウム循環装置２０は、後述のＧＭ冷凍機等を収容するコールドチャンバ２３や各種配管類を収容する容器２６を有し、磁気シールド室ＳＲの隣に配置された収容室ＡＲ内に配置されている。収容室ＡＲを画成する隔壁７の内面には、ヘリウム循環装置２０から発せられる音や磁気の外部への漏洩を抑制するために、磁気シールド材が貼着されている。

コールドチャンバ２３および容器２６の支持機構には、磁気シールド室ＳＲ内の軸６と同軸かつ水平に延びるシャフト８が固定されており、シャフト８は、支持ブロック９によって回転自在に支持されている。シャフト８には、ウォームギア機構等の減速機構１０を介して回転ハンドル１１が接続されており、回転ハンドル１１を操作することにより、コールドチャンバ２３や容器２６をシャフト８の周りに回動させることができる。なお、容器２６の下部には、カウンタウェイトＷが取り付けられている。

また、生体磁気計測システム１は、磁気シールド室ＳＲを画成する隔壁４と、当該隔壁４と対向する収容室ＡＲの隔壁７とを貫通する駆動シャフト１２を有している。収容室ＡＲ内のシャフト８と結合させた駆動シャフト１２を回転させれば、磁気シールド室ＳＲ内から収容室ＡＲ内のコールドチャンバ２３や容器２６を回動（傾斜）させることができる。すなわち、生体磁気計測システム１では、患者の姿勢に合わせて磁気シールド室ＳＲ内のデュワー３を移動させた際に、収容室ＡＲ内のコールドチャンバ２３や容器２６をデュワー３の姿勢に合わせて移動させることができる。

図１に示されるように、デュワー３とヘリウム循環装置２０のコールドチャンバ２３とは、トランスファチューブ１４を介して互いに接続される。トランスファチューブ１４は、磁気シールド室ＳＲの隔壁４に形成された弧状の長穴４ａと、収容室ＡＲの隔壁７に形成された弧状の長穴７ａとを貫通する。長穴４ａおよび７ａは、デュワー３やヘリウム循環装置２０の回動中心（軸６やシャフト８等）を中心として形成されている。長穴４ａおよび７ａには、デュワー３、ヘリウム循環装置２０およびトランスファチューブ１４の移動が完了した段階で、磁気シールド材１５が装填される。

図２は、生体磁気計測システム１に含まれるデュワー３を示す断面図である。同図に示されるように、デュワー３は、内槽３０１と、この内槽３０１を包囲する外槽３０２とを有する。ＳＱＵＩＤ２とその冷却媒体である液体ヘリウムとは、内槽３０１の下部に収容され、内槽３０１の内部には、液体ヘリウムの液面レベルを検出するための液面計３５０が配置されている。また、外槽３０２はＦＲＰ等の断熱材により形成されており、外槽３０２の上端は、閉鎖部材３０３によって閉鎖される。そして、内槽３０１と外槽３０２との間には、断熱空間３０４が画成される。断熱空間３０４は、真空吸引されており、これにより、内槽３０１と外槽３０２との間には、真空層が形成される。

内槽３０１内の上部には、中空かつ概ね筒状に形成された上側インサート３０５が配置されている。この上側インサート３０５の内部には、真空状態に維持される第１真空チャンバ３０６が画成される。上側インサート３０５の外壁面と内槽３０１の内壁面との間には、環状の空間３０７が画成される。また、内槽３０１の内部には、上側インサート３０５の下面と、液体ヘリウムの液面との間に位置するように下側インサート３０８が配置される。この下側インサート３０８も、中空かつ概ね筒状に形成されており、その内部には、真空状態に維持される第２真空チャンバ３０９が画成される。

図２に示されるように、上側インサート３０５の下面と下側インサート３０８の上面との間には、上述の空間３０７と連通する空間３１０が画成され、下側インサート３０８の外壁面と内槽３０１の内壁面との間には、空間３０７および３１０と連通する環状の空間３１１が画成される。更に、下側インサート３０８の下面と液体ヘリウムの液面との間には、空間３１１と連通する空間３１２が画成される。本実施形態では、下側インサート３０８の下面が、外周から中心に向かって上方に傾斜する円錐面状に形成されている。この場合、下側インサート３０８の下面を円錐面状に形成する代わりに、下側インサート３０８の下面を平坦にした上で、この下面に上述のような円錐面を有するウレタン等からなる別部材を取り付けてもよい。

第１真空チャンバ３０６の内壁面の複数箇所（本実施形態では、高さ方向における中央の２箇所）には、銅材等からなる熱シールド部材３１３を介して伝熱部材３１４が取り付けられている。また、第１真空チャンバ３０６の外壁面の複数箇所（本実施形態では、３箇所）にも、銅材等からなる熱シールド部材３１５が取り付けられている。本実施形態では、上側の２個の熱シールド部材３１５が上側インサート３０５内の各熱シールド部材３１３と対応するように配置され、下側の１個の熱シールド部材３１５が上側インサート３０５と下側インサート３０８との間の空間３１０を囲むように配置されている。

各熱シールド部材３１５には、それぞれ内槽３０１を囲むように形成された複数（本例では３体）の伝熱部材３１６，３１７，３１８が固定されており、各伝熱部材３１６〜３１８は、上述の断熱空間３０４内に位置する。これらの伝熱部材３１６〜３１８のうち、外側の２体の伝熱部材３１６および３１７は、概ね筒状に形成されており、それぞれの遊端部は、内槽３０１の下端部付近まで達している。また、最も内側の伝熱部材３１８は、有底筒状に形成されており、内槽３０１の下部の概ね半分を覆っている。

図２に示されるように、上述の上側インサート３０５の上端部（閉鎖部材３０３側の端部）は縮径されており、これにより、上側インサート３０５の上端部の周囲には、上述の空間３０７と連通する空間３１９が画成される。そして、閉鎖部材３０３には、当該空間３１９と連通するように、第１回収管Ｌ１０が接続されている。また、上述の上側インサート３０５および下側インサート３０８の中心孔部には、上述のトランスファチューブ１４の先端部が挿通される。

ここで、トランスファチューブ１４は、外側から順番に、冷却管Ｌ１１、第２回収管Ｌ２０および返送管Ｌ２１を同心に一体化させることにより多重管として構成されている。そして、トランスファチューブ１４を構成する冷却管Ｌ１１は、図２に示されるように、上側インサート３０５と下側インサート３０８との間の空間３１０において開口している。また、トランスファチューブ１４を構成する第２回収管Ｌ２０および返送管Ｌ２１は、下側インサート３０８と液体ヘリウムの液面との間の空間３１２において開口している。なお、第２回収管Ｌ２０の外周面と、下側インサート３０８の中心孔部の内周面との間には、空間３１０と空間３１２とを連通する隙間３２０が画成される。

図３は、生体磁気計測システム１に含まれるヘリウム循環装置２０の系統図である。同図に示されるように、ヘリウム循環装置２０は、上述のデュワー３や第１回収管Ｌ１０、冷却管Ｌ１１、第２回収管Ｌ２０および返送管Ｌ２１に加えて、循環ポンプ２１、２台のＧＭ冷凍機２２、精製器３０、凝縮器４０、ＧＭ冷凍機２２、精製器３０および凝縮器４０を収容するコールドチャンバ２３等を含む。各ＧＭ冷凍機２２は、ヘリウムガスをおよそ４０Ｋまで冷却するための第１冷凍部２２ａおよびヘリウムガスをおよそ４Ｋまで冷却するための第２冷凍部２２ｂを有するものである。

デュワー３の上部から延びる第１回収管Ｌ１０は、中途にバルブＶ１、マスフローメータＭＦ１および電磁弁ＥＶ１（ノーマルオープン）を有し、その先端は、循環ポンプ２１の吸入口に接続されている。循環ポンプ２１の吐出口には、ガス管Ｌ１２の一端が接続されている。このガス管Ｌ１２は、第１回収管Ｌ１０および冷却管Ｌ１１と共に、デュワー３内のヘリウムガスの一部をＧＭ冷凍機２２に導くと共に、ＧＭ冷凍機２２により冷却されたヘリウムガスをデュワー３に返送するための第１の系統を構成する。ガス管Ｌ１２は、フィルタＦ１およびＦ２、一定流量制御弁ＭＦＣ、流量計ＦＭおよび電磁弁ＥＶ２を中途に有し、ガス管Ｌ１２の他端は、コールドチャンバ２３内の精製器３０の流体入口に接続されている。

精製器３０は、デュワー３から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉するものであり、例えば、本体と、ヘリウムガスの流通を許容すると共にヘリウムガスと十分に接触するように構成された多孔質性の捕捉手段とを備えており、捕捉手段は、本体の出口側に配置されると共に冷熱源に接続される。この精製器３０の流体出口には、逆止弁５０を介して上述の冷却管Ｌ１１の一端が接続されている。冷却管Ｌ１１は、一方のＧＭ冷凍機２２の第１冷凍部２２ａに配置される伝熱管ＨＰを有する。また、凝縮器４０は、２台のＧＭ冷凍機２２の第２冷凍部２２ｂに接続されており、凝縮器４０の器内温度は、各第２冷凍部２２ｂによりおよそ４Ｋに保たれる。更に、凝縮器４０には、器内温度を調整するためのヒータ４１が備えられている。そして、凝縮器４０には、上述の第２回収管Ｌ２０と返送管Ｌ２１とが接続されている。第２回収管Ｌ２０および返送管Ｌ２１は、デュワー３内のヘリウムガスの一部を凝縮器４０に導くと共に、凝縮器４０で液化したヘリウムをデュワー３に返送するための第２の系統を構成する。

一方、第１回収管Ｌ１０には、中途に電磁弁ＥＶ３を有するヘリウム排出管が接続されている。また、ガス管Ｌ１２の流量計ＦＭとバルブＶ２との間には、電磁弁ＥＶ４、マスフローメータＭＦ４、バルブＶ４および真空引きポートを介して排気ポンプ（吸引手段）２４が接続されている。排気ポンプ２４は、精製器３０から不純物を除去する際に使用される。更に、ガス管Ｌ１２の循環ポンプ２１とフィルタＦ１との間には、電磁弁ＥＶ５、マスフローメータＭＦ５、フィルタＦ５、およびバルブＶ５を介してヘリウムボンベ２５が接続されている。ヘリウムボンベ２５は、常温（３００Ｋ）のヘリウムガスを貯留するものである。

加えて、ヘリウム循環装置２０は、圧力センサＰａおよびＰｂを有する。圧力センサＰａは、デュワー３の器内圧力（ヘリウムガスの圧力）を検出するものである。また、圧力センサＰｂは、精製器３０の入口におけるヘリウムガスの圧力を検出するものである。これらの圧力センサＰａおよびＰｂは、図４に示されるように、ヘリウム循環装置２０の制御手段として機能する制御ユニット１００に接続されている。また、制御ユニット１００には、上述のマスフローメータＭＦ１，ＭＦ４，ＭＦ５、流量計ＦＭ、電磁弁ＥＶ１〜ＥＶ５等のバルブ類、循環ポンプ２１および排気ポンプ２４等が接続されている。更に、制御ユニット１００には、デュワー３の液面計３５０や、凝縮器４０のヒータ４１等も接続されている。制御ユニット１００は、各種センサの検出値に基づいて、上述の循環ポンプ２１、排気ポンプ２４および各種バルブ等を制御する。

次に、上述のヘリウム循環装置２０の動作について説明する。

生体磁気計測システム１が使用され、ヘリウム循環装置２０（循環ポンプ２１や各ＧＭ冷凍機２２）が作動される際、デュワー３内では、ＳＱＵＩＤ２等を冷却することにより液体ヘリウムが少なからず気化する。そして、液体ヘリウムの液面付近で気化したおよそ４Ｋのヘリウムガスの一部は、下側インサート３０８の下面に沿ってその中心へと流れ、空間３１２において開口している第２回収管Ｌ２０を介して凝縮器４０へと流入する。そして、凝縮器４０へと流れ込んだおよそ４Ｋのヘリウムガスは、各ＧＭ冷凍機２２の第２冷凍部２２ｂによっておよそ４Ｋに保たれている凝縮器４０にて液化し、返送管Ｌ２１を介してデュワー３の内槽３０１の下部へと返送される。

ここで、本実施形態のデュワー３では、外槽３０２の内部に侵入した熱が各伝熱部材３１６〜３１８に伝わると、熱は、伝熱部材３１６〜３１８から熱シールド部材３１５に伝わり、そこに蓄積される。同様に、トランスファチューブ１４等を介して上側インサート３０５に伝わった熱は、伝熱部材３１４を介して熱シールド部材３１３に伝わり、そこに蓄積される。従って、デュワー３内のヘリウムガスの一部が、空間３１０の周辺から上側インサート３０５の周囲の空間３０７を介して内槽３０１の上部の空間３１９へと流れていくと、当該ヘリウムガスは、各熱シールド部材３１３，３１５に蓄積された熱を奪って、例えばおよそ３００K程度まで昇温する。

このようにして、デュワー３内のヘリウムガスのうち、周囲から熱を奪ってある程度昇温したヘリウムガスは、循環ポンプ２１によって第１回収管Ｌ１０へと吸い込まれ、一方のＧＭ冷凍機２２の第１冷凍部２２ａに配置されている伝熱管ＨＰへと導かれる。そして、当該ヘリウムガスは、第１冷凍部２２ａにておよそ４０Ｋに冷却され、冷却管Ｌ１１を介して上側インサート３０５と下側インサート３０８との間の空間３１０へと返送される。空間３１０に戻されたおよそ４０Ｋのヘリウムガスは、第１回収管Ｌ１０等を含む第１の系統を循環することになる。

更に、ヘリウム循環装置２０では、制御ユニット１００により、凝縮器４０のヒータ４１が図５に示される手順に従って制御される。すなわち、ヘリウム循環装置２０の作動中、制御ユニット１００は、デュワー３の器内圧力Ｐを検出する圧力センサＰａの検出値をモニタしており、凝縮器４０でのヘリウムの液化が進められてデュワー３の器内圧力Ｐが低下し、圧力センサＰａにより検出されるデュワー３の器内圧力Ｐが下限値Ｐ_１になると、凝縮器４０のヒータ４１をＯＮにする。これにより、ヒータ４１の作用により凝縮器４０の器内温度が上昇することになり、凝縮器４０でのヘリウムの液化が抑制されると共に、デュワー３の器内圧力Ｐが上昇する。また、制御ユニット１００は、図５に示されるように、ヒータ４１をＯＮにした後も圧力センサＰａの検出値をモニタしており、ヒータ４１をＯＮにした後、デュワー３の器内圧力Ｐが上限値Ｐ_２になると、凝縮器４０のヒータ４１をＯＦＦにする。これにより、ヒータ４１による加熱が停止され、凝縮器４０でのヘリウムの液化が促進させられ、デュワー３の器内圧力Ｐが低下する。

上述のように、ヘリウム循環装置２０では、デュワー３内のヘリウムガスの一部が、上述の第１の系統に含まれる空間３０７等にて内槽３０１内に侵入しようとする熱を奪ってＧＭ冷凍機２２の第１冷凍部２２ａに向かうことになるので、デュワー３の内部で気化したヘリウムガスによって熱がデュワー３外に排出され、デュワー３内でのヘリウムの気化と、デュワー３内のヘリウムガスの更なる昇温とが確実に抑制されることになる。また、ヘリウム循環装置２０では、ヒータ４１をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより凝縮器４０内の温度が調整されるので、第２回収管Ｌ２０および返送管Ｌ２１（第２の系統）を介して凝縮器４０と連通するデュワー３の器内圧力Ｐを所望の値に設定して、デュワー３内の液体ヘリウムの量を所望値に保つことができる。

従って、ヘリウム循環装置２０では、デュワー３内で気化したおよそ４Ｋのヘリウムを第２回収管Ｌ２０（第２の系統）を介して凝縮器４０に導き、凝縮器４０で液化したヘリウムをデュワー３に返送するだけで、デュワー３内に常時充分な量の液体ヘリウムを確保することが可能となる。この結果、本発明によれば、デュワー３で気化した冷媒をＧＭ冷凍機２２により段階的に冷却した後、凝縮器４０で再液化させるための系統を省略することが可能となり、ヘリウムを効率よく低コストで再液化させることができる。

ところで、ヘリウム循環装置２０によれば、上述のように、デュワー３内でのヘリウムの気化と、デュワー３内のヘリウムガスの更なる昇温とを確実に抑制することができる。しかしながら、生体磁気計測システム１の運転時間が長期化したような場合には、デュワー３と凝縮器４０との間で第２の系統（第２回収管Ｌ２０および返送管Ｌ２１）を介してヘリウムを循環させるだけでは、デュワー３内の液体ヘリウムが不足することもあり得る。また、精製器３０の閉塞の解除作業に伴ってデュワー３からヘリウムを外部に排出した際にも、デュワー３内にヘリウムを補充する必要が生じる。

これらの点に鑑みて、ヘリウム循環装置２０では、上述のように、第１回収管Ｌ１０および冷却管Ｌ１１と共に第１の系統を構成するガス管Ｌ１２に、ヘリウムガスを貯留するヘリウムボンベ２５が接続されている。これにより、ヘリウムボンベ２５から第１の系統の一部であるガス管Ｌ１２や冷却管Ｌ１１を介してヘリウムガスをデュワー３内に供給可能となるので、デュワー３にヘリウムを補充するための専用系統を設けることなく、ヘリウム補充を実行することができる。

このようなデュワー３に対するヘリウムの補充処理は、図６および図７に示される手順に従って行われる。すなわち、ヘリウム循環装置２０の作動中、制御ユニット１００は、図６に示されるように、液面計３５０の検出値に基づいてデュワー３内の液体ヘリウムの液面レベルＬを取得し（Ｓ１０）、取得した液面レベルＬが予め定められた下限値Ｌ_Ｌ以下であるか否か判定している（Ｓ１２）。そして、制御ユニット１００は、Ｓ１０およびＳ１２の処理を繰り返し実行していくうちに、Ｓ１２にてデュワー３内の液体ヘリウムの液面レベルＬが予め定められた下限値Ｌ_Ｌ以下であると判断すると、再度、液面計３５０の検出値に基づいてデュワー３内の液体ヘリウムの液面レベルＬを取得し（Ｓ１４）、取得した液面レベルＬが予め定められた値Ｌ_Ｈを下回っているか否か判定する（Ｓ１６）。値Ｌ_Ｈは、下限値Ｌ_Ｌよりも充分に大きな値であり、液面レベルが値Ｌ_Ｈ以上であれば、デュワー３内に充分に液体ヘリウムが存在しているとみなされる。

制御ユニット１００は、Ｓ１６にて液面レベルＬが予め定められた値Ｌ_Ｈを下回っていると判断した場合、圧力センサＰａの検出値に基づいてデュワー３の器内圧力Ｐを取得し（Ｓ１８）、取得したデュワー３の器内圧力Ｐが予め定められた値Ｐ_３以下であるか否か判定する（Ｓ２０）。ここで、値Ｐ_３は、図７に示されるように、上述の凝縮器４０のヒータ４１がＯＮにされる圧力（下限値）Ｐ_１よりも大きく、ヒータ４１がＯＦＦにされる圧力（上限値）Ｐ_２よりも小さな値として定められる。制御ユニット１００は、Ｓ２０にてデュワー３の器内圧力Ｐが予め定められた値Ｐ_３以下であると判断するまで、Ｓ１８およびＳ２０の処理を繰り返す。

そして、制御ユニット１００は、Ｓ２０にてデュワー３の器内圧力Ｐが値Ｐ_３以下であると判断すると、電磁弁ＥＶ５等を開放させ、ヘリウムボンベ２５からデュワー３へのヘリウムガスの供給（補充）を開始させる（Ｓ２２）。これにより、ガス管Ｌ１２および冷却管Ｌ１１を介してヘリウムボンベ２５からのヘリウムガスがおよそ４０Ｋに冷却された上でデュワー３へと供給されることになる。Ｓ２２の処理の後、制御ユニット１００は、圧力センサＰａの検出値に基づいてデュワー３の器内圧力Ｐを取得し（Ｓ２４）、取得したデュワー３の器内圧力Ｐが予め定められた値Ｐ_４以上であるか否か判定する（Ｓ２６）。ここで、値Ｐ_４は、図７に示されるように、デュワー３における安全圧を下回る範囲内で上述の凝縮器４０の温度制御に際して用いられる圧力の上限値Ｐ_２よりも大きい値として定められると好ましいが、Ｐ_３＜Ｐ_４＜Ｐ_２を満たすように値Ｐ_４を設定してもよい。

制御ユニット１００は、Ｓ２６にてデュワー３の器内圧力Ｐが値Ｐ_４以上であると判断すると、電磁弁ＥＶ５等を閉鎖させ、ヘリウムボンベ２５からデュワー３へのヘリウムガスの供給（補充）を停止させる（Ｓ２８）。Ｓ２８の処理の後、制御ユニット１００は、Ｓ１４に戻ってデュワー３内の液体ヘリウムの液面レベルＬを取得し、取得した液面レベルＬが予め定められた値Ｌ_Ｈを下回っているか否か判定する（Ｓ１６）。この段階で、デュワー３の液体ヘリウムの液面レベルがＬ_Ｈを下回っている場合、制御ユニット１００は、デュワー３内に液体ヘリウムが充分に補充されていないとみなし、上述のＳ１８〜Ｓ２８の処理を繰り返す。また、この段階で、デュワー３の液体ヘリウムの液面レベルがＬ_Ｈ以上となっている場合、制御ユニット１００は、デュワー３内に充分な量の液体ヘリウムが存在しているとみなし、Ｓ１０およびＳ１２におけるデュワー３内の液体ヘリウムの液面レベルＬのモニタリングを実行する。

このように、ヘリウム循環装置２０では、デュワー３内の液体ヘリウムの液面レベルＬが上述の下限値Ｌ_Ｌ以下になると、ヘリウムボンベ２５からガス管Ｌ１２や冷却管Ｌ１１を介してヘリウムガスがおよそ４０Ｋに冷却された上でデュワー３へと供給されるので、デュワー３内に常時所望量の液体ヘリウムを確保しておくことが可能となる。また、本実施形態では、デュワー３の器内圧力Ｐが、上記圧力（上限値）Ｐ_１よりも大きい値Ｐ_３まで低下すると、ヘリウムボンベ２５からデュワー３へのヘリウムガスの補充が開始される（Ｓ２２）ので、それ以後、図７に示されるようにデュワー３の器内圧力が上昇し、ヘリウムガスの補充中に凝縮器４０のヒータ４１がＯＮにされてしまうことはない。従って、デュワー３外でヘリウムガスを液化させずヘリウムガスを直接デュワー３内に供給（補充）しても、当該ヘリウムガスは、デュワー３内や凝縮器４０にて確実に液化する。更に、デュワー３の器内圧力Ｐが値Ｐ_４以上になると、ヘリウムガスの補充が停止されるので（Ｓ２８）、デュワー３の器内圧力Ｐの過剰上昇により液体ヘリウムが気化してしまうことが確実に抑制される。

なお、本発明において、デュワー３内の液面制御手順は、図５に例示されるものに限られず、また、デュワー３へのヘリウムの補充手順は、図６に例示されるものに限られず、これらの液面制御手順やヘリウムの補充手順として、他の手順を採用し得ることはいうまでもない。そして、本発明は、その思想や主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形態においても実施され得る。そのため、上述の実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈されてはならない。

本発明によるヘリウム循環装置を含む計測システムの一例を示す部分断面図である。 図１の計測システムに含まれるデュワーを示す断面図である。 本発明によるヘリウム循環装置の系統図である。 図３に示されるヘリウム循環装置の制御ブロック図である。 図３のヘリウム循環装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 図３のヘリウム循環装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図３のヘリウム循環装置の動作を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１ 生体磁気計測システム
２ ＳＱＵＩＤ
３ デュワー
１４ トランスファチューブ
２０ ヘリウム循環装置
２１ 循環ポンプ
２２ ＧＭ冷凍機
２５ ヘリウムボンベ
３０ 精製器
４０ 凝縮器
４１ ヒータ
１００ 制御ユニット
３０１ 内槽
３０２ 外槽
３０４ 断熱空間
３０５ 上側インサート
３０６，３０９ 真空チャンバ
３０７，３１０，３１１，３１２，３１９ 空間
３０８ 下側インサート
３１３，３１５ 熱シールド部材
３１４，３１６，３１７，３１８ 伝熱部材
３２０ 隙間
３５０ 液面計
ＥＶ１，ＥＶ２，ＥＶ３，ＥＶ４，ＥＶ５ 電磁弁
Ｌ１０ 第１回収管
Ｌ１１ 冷却管
Ｌ１２ ガス管
Ｌ２０ 第２回収管
Ｌ２１ 返送管
Ｐａ 圧力センサ
Ｐｂ 圧力センサ

Claims (7)

1. 極低温の液状冷媒を貯留する貯留槽と、冷凍機に接続されており、前記冷媒を再液化させることができる凝縮器とを有し、前記貯留槽と前記凝縮器との間で前記冷媒を循環させる冷媒循環装置であって、
   前記貯留槽内の冷媒ガスの一部を前記冷凍機に導くと共に、前記冷凍機により冷却された冷媒ガスを前記貯留槽に返送するための第１の系統と、
   前記貯留槽内の冷媒ガスの一部を前記凝縮器に導くと共に、前記凝縮器で液化した冷媒を前記貯留槽に返送するための第２の系統と、
   前記凝縮器に設けられたヒータと、
   前記貯留槽内の圧力に応じて前記ヒータを制御する制御手段とを備えることを特徴とする冷媒循環装置。
2. 前記第１の系統は、前記貯留槽内の冷媒ガスが前記貯留槽に侵入しようとする熱を奪って前記冷凍機に向かうように構成された領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷媒循環装置。
3. 前記第１の系統に接続されており、補充用の冷媒を貯留する補充用貯留手段を更に備え、
   前記補充用貯留手段から前記第１の系統の一部を介して冷媒を前記貯留槽内に供給可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒循環装置。
4. 前記貯留槽内の液状冷媒の液面レベルを検出する液面検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記液面検出手段の検出値に応じて、前記冷媒貯留手段から前記第１の系統の一部を介して前記貯留槽内に冷媒が供給されるようにすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の冷媒循環装置。
5. 極低温の液状冷媒を貯留する貯留槽と、ヒータを有すると共に冷凍機に接続された凝縮器との間で前記冷媒を循環させる冷媒循環方法であって、
   前記貯留槽内の冷媒ガスの一部を前記冷凍機に導き、前記冷凍機により冷却された冷媒ガスを前記貯留槽に返送すると共に、前記貯留槽内の圧力に応じて前記凝縮器の前記ヒータを制御しながら、前記貯留槽内の冷媒ガスの一部を前記凝縮器に導き、前記凝縮器で液化した冷媒を前記貯留槽に返送することを特徴とする冷媒循環方法。
6. 前記貯留槽内の冷媒ガスの一部が前記貯留槽に侵入しようとする熱を奪って前記冷凍機に向かうようにすることを特徴とする請求項５に記載の冷媒循環方法。
7. 前記貯留槽内の液状冷媒の液面レベルが下限値以下となった場合に、補充用の冷媒を貯留する補充用貯留手段から前記貯留槽への冷媒の供給を許容し、前記液面レベルが所定値に達するまで、前記補充用貯留手段からの冷媒の供給を前記貯留槽内の圧力に応じて許容または規制しながら前記貯留槽内に冷媒を補充すること特徴とする請求項５または６に記載の冷媒循環方法。

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