JPH062799A - 低温容器及びその外気侵入防止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体窒素等が収容される保冷槽内に外気が侵
入するのを防ぐ。 【構成】 液体ヘリウム槽１０及び保冷用の液体窒素槽
１４を備える。液体窒素槽１４から窒素ポート３０を導
出し、その出口端に外気侵入を規制する逆止弁３４を設
ける。さらに、上記窒素ポート３０において上記逆止弁
３４よりも液体窒素槽１４に近い位置と、液体ヘリウム
槽１０とをヘリウムポート３６で接続し、液体ヘリウム
槽１０内で発生する蒸発ヘリウムガスをヘリウムポート
３６を通じて窒素ポート３０内に導入する。

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な低温
容器及びその外気侵入防止方法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装
置（ＮＭＲ装置や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極低温に保持す
る技術の開発が急速に進められている。上記液体ヘリウ
ムは、蒸発潜熱が極めて微小であるため、特殊な断熱構
造をもつ低温容器（以下、クライオスタットと称す
る。）内に超電導マグネットとともに収容される。

【０００３】図２は、従来の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は、液体ヘリ
ウム槽９０と、この液体ヘリウム槽９０を取り囲む液体
窒素槽９２とを備え、さらにその外側が外槽９１で囲ま
れている。液体ヘリウム槽９０及び液体窒素槽９２と外
槽９１との間には真空断熱層９３が形成されており、こ
の真空断熱層９３により熱伝導の遮断が、上記液体窒素
槽９２により熱輻射の遮断がそれぞれ図られている。液
体ヘリウム槽９０内では液体ヘリウムに超電導マグネッ
ト９４が浸漬され、液体窒素槽９２には、これを液体窒
素の沸点以下に冷却する冷凍機９５が連結されている。
液体ヘリウム槽９０及び液体窒素槽９２からは外部にヘ
リウムポート９６及び窒素ポート９７がそれぞれ導出さ
れており、各ポートの出口端に逆止弁９６ａ，９７ａが
それぞれ設けられている。

【０００４】このクライオスタットにおいて、液体ヘリ
ウム及び液体窒素の蒸発量はともに微小または０に抑え
られ、通常の運転時には、液体ヘリウム槽９０内の液体
ヘリウムのみが蒸発して逆止弁９６ａから大気に放出さ
れる。窒素は、冷凍機９５による冷却で沸点７７Ｋ以下
に冷却（過冷却）されるので、液体窒素槽９２内は大気
圧より低い状態となり、逆止弁９７ａは閉状態を保つ。
両逆止弁９６ａ，９７ａは、特に蒸発ガス流出量が小さ
いときに、大気中の空気及びこれに含まれる水分が液体
ヘリウムや液体窒素の極低温寒剤に吸着されてポート９
６，９７を逆流するのを防ぐ役割を果たす。

【０００５】上記超電導マグネット９４の励磁及び消磁
は、パイプ内に導線を配した電流リード９８を液体ヘリ
ウム槽９０内に挿入することにより行われ、この時、ヘ
リウム蒸発ガスは電流リード９８内を伝ってその冷却ガ
ス放出口９８ａから大気に放出される。この時の蒸発ヘ
リウムガス流量は十分に大きいので、逆止弁は不要とな
っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記クライオスタット
では、その安全上、液体ヘリウム９０槽内及び液体窒素
槽９２内の圧力が異常に高まるのを防ぐため、逆止弁９
６ａ，９７ａの作動設定圧力を微小値に設定し、逆止弁
９６ａ，９７ａが僅かの圧力で開くようにすることが極
めて好ましい。この場合、各逆止弁９６ａ，９７ａにお
いて閉状態を保持する力は弱くなり、その分シール性も
低いものとなる。

【０００７】このとき、液体ヘリウム槽９０からはほぼ
常時蒸発ヘリウムガスがヘリウムポート９６から放出し
ているため、逆止弁９６ａについてはそのシール性が多
少低くても逆流（外気侵入）のおそれはほとんどない
が、液体窒素槽９２内は過冷却で負圧となっているた
め、逆止弁９７ａのシール性が低いと、長期連続運転に
よって大気側から液体窒素槽９２内への空気の微小な流
入が蓄積され、窒素ポート９７の内部で水分が凍結して
流路を塞いだり、液体窒素よりも高沸点の酸素を吸着、
蓄積するおそれがある。ポート閉塞が生じた場合には、
冷凍機９５の故障等で液体窒素の蒸発が始まった時に液
体窒素槽９２の内圧が高まり、同槽９２の破損を招くお
それがあり、液体酸素を吸着した場合には、不用意に火
気を近付けると着火するおそれがある。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑み、逆止弁
等によるシール性が低い場合にも、液体窒素等が収容さ
れる保冷槽内に外気が侵入するのを防ぐことができるク
ライオスタット等の低温容器及びその外気侵入防止方法
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、液体ヘリウム
を収容する液体ヘリウム槽と、この液体ヘリウム槽を取
り囲み、内部にヘリウムよりも沸点の高い冷却用液体を
収容する保冷槽と、この保冷槽内を上記冷却用液体の沸
点よりも低い温度まで冷却する冷却手段と、上記保冷槽
内の気相領域と容器外部とを連通するガス放出通路と、
このガス放出通路に設けられ、容器外部から保冷槽内に
向かってのガスの流れを規制する侵入規制手段とを備え
た低温容器において、上記ガス放出通路において上記侵
入規制手段よりも保冷槽内に近い位置からガス放出通路
内に上記冷却用液体よりも低沸点の不活性ガスを導入し
てガス放出通路内を昇圧するものである。

【００１０】また本発明は、上記方法が実施される低温
容器として、上記ガス放出通路において上記侵入規制手
段よりも保冷槽内に近い位置と液体ヘリウム槽内の気相
領域との間に、両者を連通するヘリウムガス供給通路を
備えたものである（請求項２）。

【００１１】さらに、上記低温容器において、上記液体
ヘリウム槽内の圧力が一定以上高まった場合にのみその
内部のヘリウムガスを外部に放出させるヘリウムガス放
出手段を備えるとともに、上記ヘリウムガス供給通路の
途中に、このヘリウムガス供給通路内のガス流量を一定
値以下に抑える流量規制手段を設けることにより、後述
のようなより優れた効果が得られる（請求項３）。

【００１２】

【作用】請求項１記載の方法によれば、保冷槽から導出
されたガス放出通路内に冷却用液体よりも低沸点の不活
性ガスを導入してガス放出通路内を昇圧することによ
り、このガス放出通路内に大気が侵入するのを防ぐこと
ができる。しかも、冷却用液体よりも低沸点の不活性ガ
スを導入するため、このガスはガス放出通路内で凍結す
ることがなく、また冷却用液体等と反応することもな
い。

【００１３】具体的に、請求項２記載の装置によれば、
液体ヘリウム槽内で液体ヘリウムが蒸発しているのに対
し、保冷槽内は冷却手段で過冷却されて減圧状態にある
ので、両槽の圧力差により、液体ヘリウム槽内の蒸発ヘ
リウムガスがヘリウムガス供給通路を通じてガス放出通
路内に流入する。このヘリウムガスの供給によってガス
放出通路内が昇圧され、このガス放出通路内に外気が侵
入することが防がれる。

【００１４】さらに、請求項３記載の装置では、液体ヘ
リウム槽内の超電導マグネットがクエンチする等して液
体ヘリウム槽内の液体ヘリウムの蒸発が促進され、槽内
圧力が一定値以上高まった時に、昇圧されたヘリウムガ
スがヘリウムガス放出手段によって外部に逃がされると
ともに、この昇圧ヘリウムガスがヘリウムガス供給通路
を伝ってガス放出通路内に流入するが、このヘリウム供
給通路には流量規制手段が設けられているので、ガス放
出通路内に大量の昇圧ヘリウムガスが一度に流入するこ
とが未然に防がれる。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例を図１に基づいて説明す
る。

【００１６】ここに示すクライオスタットは、液体ヘリ
ウム槽１０と、この液体ヘリウム槽１０を取り囲む液体
窒素槽（保冷槽）１４とを備え、さらにその外側が外槽
１２で囲まれている。液体ヘリウム槽１０内には液体ヘ
リウム１６が収容され、この液体ヘリウム１６内に超電
導マグネット１８が浸漬されており、液体窒素槽１４内
には保冷用の液体窒素２０が収容されている。液体窒素
槽１４と外槽１２との間には真空断熱層２２が形成され
ており、この真空断熱層２２により熱伝導の遮断が、上
記液体窒素槽１４により熱輻射の遮断がそれぞれ図られ
ている。液体窒素槽１４には冷凍機（冷却手段）２４が
連結され、この冷凍機２４の作動により、液体窒素槽１
４内が液体窒素の沸点７７Ｋ以下に冷却（過冷却）され
ている。

【００１７】上記液体ヘリウム槽１０内には、上方から
電流リード２６が挿入可能となっている。この電流リー
ド２６は、パイプ内に導線が配されたものであり、超電
導マグネット１８の励磁及び消磁を行うものである。こ
の電流リード２６の上部には冷却ガス出口２８が設けら
れており、この電流リード２６の挿入時には、液体ヘリ
ウム槽１０内のヘリウム蒸発ガスが上記電流リード２６
内を伝ってその冷却ガス放出口２８から大気に放出され
るようになっている。

【００１８】上記液体窒素槽１４の上面からは、上方に
窒素ポート（ガス放出通路）３０が延設されており、こ
の窒素ポート３０によって液体窒素槽１４の上側領域
（気相領域）がクライオスタット外部に連通されてい
る。この窒素ポート３０の途中には放熱器３２が設けら
れ、出口端には逆止弁（侵入規制手段）３４が設けられ
ている。この逆止弁３４は、窒素ポート３０内の圧力が
大気圧よりも予め定められた設定圧以上高まっている場
合にのみ、その圧力で開弁するものであり、この逆止弁
３４によって、クライオスタット外部から窒素ポート３
０内への外気の侵入が規制されている。上記設定圧は、
安全上、液体ヘリウム１０槽内及び液体窒素槽１４内の
圧力が異常に高まるのを防ぐため、微小な値に設定され
ている。従って、逆止弁３４において閉状態を保持する
力は弱く、その分シール性も低いものとなっている。

【００１９】さらに、このクライオスタットの特徴とし
て、液体ヘリウム槽１０の上面からヘリウムポート（ヘ
リウムガス供給通路）３６が延設されるとともに、この
ヘリウムポート３６が窒素ポート３０において上記放熱
器３２と液体窒素槽１４との間の位置に接続されてお
り、このヘリウムポート３６により、液体ヘリウム槽１
０内の上部領域（気相領域）と窒素ポート３０内とが連
通されている。このヘリウムポート３６の途中には、ガ
スの流れを液体ヘリウム槽１０内から窒素ポート３０内
に向かう方向にのみ許容する逆止弁３８が設けられると
ともに、ガス流量を一定値以下に抑えるための絞り（流
量規制手段）４０が設けられている。

【００２０】また、液体ヘリウム槽１０の上面におい
て、上記ヘリウムポート３６と異なる位置には、破裂弁
等からなる安全弁（ヘリウムガス放出手段）４２が設け
られている。この安全弁４２は、通常状態で閉じている
が、液体ヘリウム槽１０内の圧力が異常に高まった場合
にのみ破裂等を起こして開き、液体ヘリウム槽１０内の
蒸発ヘリウムガスを大気中に放出させるものである。

【００２１】次に、このクライオスタットの作用を説明
する。

【００２２】まず、通常運転時には、液体窒素槽１４内
が冷凍機２４により過冷却されているので、窒素ガスの
凝縮により液体窒素槽１４内は大気圧より低い負圧状態
になろうとする。しかしながら、液体ヘリウム槽１０内
では、ほぼ常時液体ヘリウムが蒸発して圧力が大気圧以
上になっているため、両槽１０，１４内との圧力差によ
り、液体ヘリウム槽１０内の蒸発ヘリウムガスがヘリウ
ムポート３６の逆止弁３８及び絞り４０を通じて窒素ポ
ート３０内に流入し、このヘリウムガスの供給によって
窒素ポート３０内及び液体窒素槽１４上部の気相領域内
が大気圧以上の圧力に保持される。

【００２３】従って、逆止弁３４のシール性が多少低く
ても、その外部から窒素ポート３０内に外気が侵入する
ことはなく、この侵入による弊害、すなわち、外気中の
水分が窒素ポート３０内で凍結して窒素ポート３０を塞
いだり、酸素が極低温寒剤に吸着されたりする弊害を未
然に防ぐことができる。しかも、上記ヘリウムガスは窒
素よりも沸点が低い不活性ガスであるので、液体窒素槽
１４内に侵入しても凝縮することがなく、また窒素ガス
や大気と反応することもない。

【００２４】この通常運転時に対し、超電導マグネット
１８がクエンチする等して液体ヘリウム槽１０内の温度
が高まり、液体ヘリウムの蒸発が促進されて液体ヘリウ
ム槽１０内の圧力が異常に高まった非常時には、この圧
力を受けて安全弁４２が開くことにより、この安全弁４
２を通じて蒸発ヘリウムガスが大気中に逃がされる。こ
の時、一時的に昇圧したヘリウムガスはヘリウムポート
３６内にも流入するが、このヘリウムポート３６の途中
には絞り４０が設けられているため、この絞り４０によ
り、大量のヘリウムガスがヘリウムポート３６を通じて
窒素ポート３０内に一度に流入するのを防ぐことができ
る。このため、この流入による弊害、すなわち、多量の
ヘリウムガスの導入によって逆止弁３４が凍結し、その
作動不良が発生するのを未然に防ぐことができる。

【００２５】なお、本発明はこのような実施例に限定さ
れるものでなく、例として次のような態様をとることも
可能である。

【００２６】(1) 上記実施例では、本発明における保冷
槽として液体窒素槽１４を配したものを示したが、上記
保冷槽に収容される冷却用液体は、ヘリウムよりも高沸
点でかつ保冷に適したものであれば良く、例えばネオン
等を用いることも可能である。

【００２７】(2) 上記実施例では、外気侵入を防ぐため
に、窒素ポート３０内に液体ヘリウム槽１０内の蒸発ヘ
リウムガスを導入するものを示したが、本願請求項１記
載の方法では、容器外部から別の外気侵入防止用ガスを
ガス放出通路内に導入するようにしてもよい。この場
合、導入するガスは冷却用液体よりも低沸点の不活性ガ
スであれば良く、例えば冷却用液体が液体窒素である場
合には、ネオン等を導入しても外気侵入を防ぐことがで
きる。ただし、上記実施例のようなヘリウムポート３６
を設置すれば、液体ヘリウム槽１０内に常時発生してい
る蒸発ヘリウムガスを有効に利用することにより、より
低コストの構造で外気侵入を防ぐことができる効果があ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明は、保冷槽から導出
されたガス放出通路内に、上記保冷槽内の冷却用液体よ
りも低沸点の不活性ガスを導入することにより、上記ガ
ス放出通路内を昇圧するようにしたものであるので、上
記ガス放出通路内に外気が侵入するのを未然に防ぐこと
ができ、これによって、上記外気の侵入による弊害、す
なわち水分の凍結によるガス放出通路の閉塞や、極低温
寒剤による酸素の吸着を未然に防ぐことができる効果が
ある。しかも、外気侵入防止用のガスとして上記冷却用
液体よりも低沸点の不活性ガスを導入しているので、こ
のガスは保冷槽内で凝縮することがなく、また、冷却用
液体等と反応することもない。

【００２９】さらに、請求項２記載の装置では、上記ガ
ス放出通路において上記侵入規制手段よりも保冷槽内に
近い位置と液体ヘリウム槽内の気相領域とをヘリウムガ
ス供給通路で連通することにより、液体ヘリウム槽内の
蒸発ヘリウムガスを外気侵入防止用ガスとしてガス放出
通路内に導入するようにしているので、外気侵入防止用
として特別にガスを用意することなく、容器内でほぼ常
時発生している蒸発ヘリウムガスを有効に利用すること
により、外気侵入防止を効率良く行うことができる効果
がある。

【００３０】さらに、請求項３記載の装置では、上記液
体ヘリウム槽内の圧力が一定以上高まった場合にのみそ
の内部のヘリウムガスを外部に放出させるヘリウムガス
放出手段を備えるとともに、上記ヘリウムガス供給通路
の途中に、このヘリウムガス供給通路内のガス流量を一
定値以下に抑える流量規制手段を設けたものであるの
で、液体ヘリウム槽内の圧力が異常に高まった場合に、
この液体ヘリウム槽内の多量の蒸発ヘリウムガスがガス
放出通路内に一度に流入することを防ぐことができ、こ
の流入による侵入規制手段の凍結及び作動不良を未然に
防止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
断面図である。

【図２】従来のクライオスタットの一例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１０ 液体ヘリウム槽 １４ 液体窒素槽（保冷槽） １６ 液体ヘリウム ２０ 液体窒素（冷却用液体） ２４ 冷凍機（冷却手段） ３０ 窒素ポート（ガス放出通路） ３４ 逆止弁（侵入規制手段） ３６ ヘリウムポート（ヘリウムガス供給通路） ４０ 絞り（流量規制手段） ４２ 安全弁（ヘリウムガス放出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 一功 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 松本 清 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム槽
   と、この液体ヘリウム槽を取り囲み、内部にヘリウムよ
   りも沸点の高い冷却用液体を収容する保冷槽と、この保
   冷槽内を上記冷却用液体の沸点よりも低い温度まで冷却
   する冷却手段と、上記保冷槽内の気相領域と容器外部と
   を連通するガス放出通路と、このガス放出通路に設けら
   れ、容器外部から保冷槽内に向かってのガスの流れを規
   制する侵入規制手段とを備えた低温容器において、上記
   ガス放出通路において上記侵入規制手段よりも保冷槽内
   に近い位置からガス放出通路内に上記冷却用液体よりも
   低沸点の不活性ガスを導入してガス放出通路内を昇圧す
   ることを特徴とする低温容器における外気侵入防止方
   法。
2. 【請求項２】 液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム槽
   と、この液体ヘリウム槽を取り囲み、内部にヘリウムよ
   りも沸点の高い冷却用液体を収容する保冷槽と、この保
   冷槽内を上記冷却用液体の沸点よりも低い温度まで冷却
   する冷却手段と、上記保冷槽内の気相領域と容器外部と
   を連通するガス放出通路と、このガス放出通路に設けら
   れ、容器外部から保冷槽内に向かってのガスの流れを規
   制する侵入規制手段とを備えた低温容器において、上記
   ガス放出通路において上記侵入規制手段よりも保冷槽内
   に近い位置と液体ヘリウム槽内の気相領域との間に、両
   者を連通するヘリウムガス供給通路を備えたことを特徴
   とする低温容器。
3. 【請求項３】 請求項１記載の低温容器において、上記
   液体ヘリウム槽内の圧力が一定以上高まった場合にのみ
   その内部のヘリウムガスを外部に放出させるヘリウムガ
   ス放出手段を備えるとともに、上記ヘリウムガス供給通
   路の途中に、このヘリウムガス供給通路内のガス流量を
   一定値以下に抑える流量規制手段を設けたことを特徴と
   する低温容器。