JPH0539895A - 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顕熱を有
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、上記首管１４ａ内に、この首管
１４ａの内面に接触する金属繊維ユニット４２を設ける
とともに、この金属繊維ユニット４２を蒸発ガス流通用
の貫通穴４３ｂを有する輻射シールド板４３で上下から
挾む。

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から延設された首管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（ガラス繊維強
化プラスチック）等で形成され、上記輻射シールド板３
４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顕熱
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、上記首管内に、この首管の内面に接触する状態で金
属繊維を設けるとともに、上記低温液体の蒸発ガスの流
通路を残して上記金属繊維を輻射シールド板により上下
から挾んだものである。

【００１３】

【作用】上記構成によれば、首管内に蒸発ガスとの接触
面積の大きな金属繊維が配され、かつこの金属繊維が首
管の内周面に接触しているので、この金属繊維を媒介と
して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。しかも、上記金属繊維を上下
から輻射シールド板で挾んでいるので、外部から首管内
へ侵入しようとする輻射熱は上記輻射シールド板で遮蔽
される。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図４に基づいて説
明する。

【００１５】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。

【００１６】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、収納の対象となる低温液体の種類も問わ
ず、上記液体ヘリウムの他、液体窒素等の収納にも適用
することができる。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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１，２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。

【００２０】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。

【００２１】さらに、この容器の特徴として、図１に示
すように、首管１４内の複数個所に金属繊維ユニット４
２が設けられており、各金属繊維ユニット４２は、輻射
シールド板４３で上下から挾まれた状態で単一の垂直ね
じ軸４４に取付けられている。

【００２２】図３に示すように、上記金属繊維ユニット
４２は、多数本の金属繊維４７を金属ネット４８で包ん
だものであり、上記金属繊維４７としては、銅やアルミ
ニウム等のように熱伝導性の高い金属からなり、直径２
０〜３０μｍ程度のものが好適である。また、その充填
率は５０〜６０％程度に設定するのが好ましい。金属ネ
ット４８は、全体が円柱状の体をなすが、十分な柔軟性
を有しており、その直径Ｄは首管１４ａの内径よりも少
し大きめに設定され、金属ネット４８の周縁部が確実に
首管１４ａの内周面に接触するように考慮がなされてい
る。この金属繊維ユニット４２の配設個所及び個数は特
に問わないが、例えば図１に示すように、首管１４ａと
管部２１との接合部や、首管１４ａと他の首管１６ａ，
１８ａとの接合部に対応する位置に設けることにより、
より効果的となる。

【００２３】上記輻射シールド板４３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、上記金属繊維
ユニット４２を上下から挾む状態で垂直ねじ軸４４に固
定されている。この実施例では、図４に示すように、輻
射シールド板４３の中央に上記垂直ねじ軸４４を挿通す
るための貫通穴４３ａが設けられ、この輻射シールド板
４３を上下から挾むようにして垂直ねじ軸４４にナット
５０が装着され、締め付けられることにより、輻射シー
ルド板４３が垂直ねじ軸４４に固定されている。また、
輻射シールド板４３には、蒸発ヘリウムガスを流通させ
るための多数の貫通穴４３ｂが設けられている。

【００２４】上記垂直ねじ軸４４は、この垂直ねじ軸４
４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されて
おり、この垂直ねじ軸４４の上端部４４ａが、カバー３
６の天壁に装着された蓋４６に連結されている。従っ
て、この垂直ねじ軸４４、輻射シールド板４３、及び金
属繊維ユニット４２全体がカバー３６により吊り下げ支
持された状態にある。

【００２５】このようなクライオスタットによれば、液
体ヘリウム槽１４内で蒸発したヘリウムガスは、首管１
４ａ内において輻射シールド板４３の貫通穴４３ｂ及び
金属ネット４８を経て金属繊維４７の隙間を通るので、
この金属繊維４７を媒介としてヘリウムガスと首管１４
ａとの間での熱交換が促進され、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。すなわち、上
記首管１４ａと接触状態にある金属繊維４７は、熱交換
器におけるフィンと同等の役割を果たし、首管１４ａと
蒸発ヘリウムガスとの実質的な接触面積を増加させてお
り、このような金属繊維４７を媒介とする低温ヘリウム
ガスとの熱交換で首管１４ａが効果的に冷却される。

【００２６】一方、外部から首管１４ａ内へ侵入する輻
射熱は、上記金属繊維４７の取付部材として兼用されて
いる輻射シールド板４８で遮蔽されるため、従来の構造
と同様、液体ヘリウム槽１４内へは輻射熱が侵入しにく
い。従って、上記金属繊維４７による首管１４ａの冷却
促進の分だけ首管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。

【００２７】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。

【００２８】(1) 上記実施例では金属繊維４７を金属ネ
ット４８で包んだ後に輻射シールド板４３で挾んだもの
を示したが、金属繊維４７を直接輻射シールド板４３で
挾むようにしても良い。ただし、上記のように金属ネッ
ト４８で金属繊維４７を包むようにすれば、取扱が簡便
になるとともに、金属繊維４７の型崩れを防ぐことがで
きる利点がある。

【００２９】(2) 本発明では、輻射シールド板４３の装
着構造を問わず、例えば輻射シールド板４３を垂直軸に
溶接等で固定しても良い。上記のような垂直ねじ軸４４
を用いれば、輻射シールド板４３等の取付作業性が向上
する。

【００３０】

【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、輻射シールド板で上下から挾んだ状態で
金属繊維を配設し、この金属繊維を首管の内面に接触さ
せたものであるので、この金属繊維を媒介として、首管
内を流れる低温液体の蒸発ガスと首管との熱交換を促進
させることにより、効率よく首管を冷却することができ
る。すなわち、上記蒸発ガスの顕熱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達
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。

【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】（ａ）は上記首管内に設けられた金属繊維ユニ
ットの断面平面図、（ｂ）は同金属繊維ユニットの断面
正面図である。

【図４】上記金属繊維ユニットを挾む輻射シールド板の
装着構造を示す断面正面図である。

【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 金属繊維ユニット ４３ 輻射シールド板 ４３ｂ 貫通穴（流通路） ４７ 金属繊維

Claims (1)

【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、上記首管内に、この首管
   の内面に接触する状態で金属繊維を設けるとともに、上
   記低温液体の蒸発ガスの流通路を残して上記金属繊維を
   輻射シールド板により上下から挾んだことを特徴とする
   低温容器。