JPH0645812Y2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、クライオスタット内に貯溜されている液体ヘ
リウムから蒸発したヘリウムガスを冷却して再凝縮させ
る極低温冷凍機に関する。

（従来の技術） 近年、医療用機器として、人体における分子内の水素の
含有率を電磁コイルと高周波発生器とにより探知し、人
体の内部を画像化してその異常を調べるいわゆる磁気共
鳴画像CT（Magnetic Resonance Imaging-Computer Tomo
graph.以下、MRI-CTと略す）はよく知られ、使用されて
いる。

そして、このMRI-CTは極低温レベルで作動する超伝導マ
グネットを使用するため、該マグネットをクライオスタ
ット（低温槽）内に貯溜された液体ヘリウムによって極
低温レベルまで冷却するようになされている。

（考案が解決しようとする問題点） ところで、クライオスタット内において、ヘリウム等の
液化温度が極低温である冷媒の貯溜槽の上部には、通常
液体窒素等の比較的液化温度の高い冷媒を貯溜する等し
て、上方から下方に向かって温度が低下するように温度
勾配をつけ、外部との断熱が良好に維持されるようにし
ている。しかし、そのようにしていても、冷媒の貯溜槽
と外側との間には相当の温度勾配が存在しており、例え
ば冷媒として4.2Kレベルの極低温で液化するヘリウムを
利用した場合、その外側に液体水素により77Kレベルに
維持されるシールド部を設けたとしても、そのシールド
部とヘリウム槽との間に73K近い温度勾配が存在するこ
とになる。

そして、上記のような温度勾配によって、例えば再凝縮
器付近の温度が7.5K程度になると、ヘリウムの凝縮潜熱
量と顕熱量とがほぼ等しくなるので、ヘリウムの再凝縮
量は周囲温度が4.2Kの時に比べ、約1/2になる。したが
って、再凝縮能力が低下するという問題がある。

本考案は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目的
は、上記の如く、再凝縮器によってクライオスタット内
部のヘリウムガスを再凝縮させる場合において、再凝縮
器周囲の温度を低温に保持する手段を講ずることによ
り、再凝縮能力の向上を図ることにある。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本考案の第１の解決手段
は、例えば第１図に示すように、液体ヘリウム等の液冷
媒を内部に貯溜し、内部が所定の極低温状態に維持され
るクライオスタット（２）と、該クライオスタット
（２）の内部に配置され、クライオスタット（２）内の
液体ヘリウムから蒸発したヘリウムガスを冷却して再凝
縮させるための再凝縮器（23）と、上記クライオスタッ
ト（２）の外部に配置され、圧縮されたヘリウム等の冷
媒ガスを膨張により冷却し、再凝縮用冷媒配管（26），
（27）を介して上記該再凝縮器（23）に供給する冷凍機
本体（15）とを備えた極低温冷凍機を前提とする。

そして、内部が真空状態とされた低熱伝導率材料からな
り、上記冷凍機本体（15）と再凝縮器（23）とを断熱的
に連結する筒状断熱部（24）とを設け、さらに、上記筒
状断熱部（24）の先端に連設され、下方に向かって延び
て、上記再凝縮器（23）の側方全体を所定の間隙をあけ
て取り囲む筒状遮蔽管（31）を設ける構成としたもので
ある。

また、第２の解決手段は、上記第１の解決手段におい
て、遮蔽管（31）の外径を断熱部（24）の外径以下に設
定したものである。

（作用） 上記の構成により、請求項（１）の考案では、クライオ
スタット（２）の内部に貯溜された液体ヘリウムから蒸
発したヘリウムガスは、冷凍機の再凝縮器（23）により
冷却されて元の液体ヘリウムに再凝縮される。このた
め、高価な液体ヘリウムの消費がないので、その定期的
な補充が必要でなくなり、液体ヘリウムを冷却源とする
MRI-CT等の低温作動機器のランニングコストを低減でき
るとともに、その液体ヘリウムの補充操作の手間をもな
くすことが可能となる。

そして、冷凍機における冷凍機本体（15）はクライオス
タット（２）外部に、再凝縮器（23）はクライオスタッ
ト（２）内部にそれぞれ配置され、上記冷凍機本体（1
5）と再凝縮器（23）とは、内部が真空状態とされた熱
伝導率の低い材料からなる筒状断熱部（24）により断熱
状態で連結されているので、クライオスタット（２）へ
の冷凍機の挿入部分は再凝縮器（23）のみであり、クラ
イオスタット（２）における冷凍機の取付部分としての
開口部が狭くて済み、クライオスタット（２）を大きく
変更する必要がない。

その場合、筒状断熱部（24）の先端には、再凝縮器（2
3）の側方全体を取囲んで熱シールドする遮蔽管（31）
が設けられているので、再凝縮器（24）近辺の蒸発した
ヘリウムガスの温度は再凝縮器（31）の温度4.2Kとほぼ
同じレベルに維持される。したがって、ヘリウムの顕熱
負荷が殆どなくなり、よって、再凝縮器（23）の再凝縮
能力がヘリウムの顕熱量のために低下することがなく、
再凝縮能力が有効に向上することになる。さらに、遮蔽
管（31）により再凝縮器（23）の周囲が保護されること
になり、プラグイン時の再凝縮器部品のクライオスタッ
ト等との接触による破損が防止される。

また、請求項（２）の考案では、断熱部（24）の径以下
の径を有する遮蔽管（31）により再凝縮器（23）の側方
が熱シールドされているので、上記第１実施例と同様に
再凝縮能力の向上を図ることができるとともに、再凝縮
器（23）をプラグインするためのクライオスタットの開
口が小さくても取付けが可能となり、よって、プラグイ
ン時の対応性が向上することになる。

（実施例） 以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明する。

第３図は請求項（１）の考案を適用した第１実施例に係
るプラグイン型冷凍機の全体構成を示し、（１）は超伝
導マグネット（1a）を内蔵した医療用機器としてのMRI-
CTであって、上記超伝導マグネット（1a）は、冷媒とし
ての液体ヘリウムを貯溜するクライオスタット（２）内
に配設されていて、その液体ヘリウムの持つ冷熱により
極低温レベル（4.3K）に冷却保持されている。

上記クライオスタット（２）には、上記液体ヘリウムを
貯溜する液体ヘリウム容器（３）と、その容器（３）の
周りに内側真空室（４）を介して同心状に配置支持され
たインナシールド部（５）と、該インナシールド部
（５）の周りに外側真空室（６）を介して同心状に配置
支持されたアウタシールド部（７）とが配置され、上記
液体ヘリウム容器（３）内に上記超伝導マグネット（1
a）が収容されている。また、上記アウタシールド部
（７）の上部には、そのアウタシールド部（７）の上壁
を底壁として液体窒素を貯溜する液体窒素貯溜室（８）
が形成され、この貯溜室（８）内の液体窒素によりアウ
タシールド部（７）が所定温度レベル（77K）に保持さ
れている。

また、上記クライオスタット（２）の液体ヘリウム容器
（３）、インナシールド部（５）、アウタシールド部
（７）および液体窒素貯溜室（８）の各上壁にはそれぞ
れ円形状の開口部（９）〜（12）が上下方向に対応して
貫通形成され、これらの開口部（９）〜（12）には円筒
状の挿入部材（13）が気密状態に嵌挿され、この挿入部
材（13）の上端はクライオスタット（２）外部に、下端
は液体ヘリウム容器（３）内にそれぞれ開放されてい
る。

（14）は上記クライオスタット（２）の液体ヘリウム容
器（３）内の蒸発ヘリウムガスを冷却して液体ヘリウム
に再凝縮させるための冷凍機であって、該冷凍機（14）
は、第１図に示すように、図示しない圧縮機で圧縮され
たヘリウムガスを膨脹させて所定温度レベルの低温状態
を発生させる予冷冷凍回路（16）と、圧縮機（図示せ
ず）で圧縮されたヘリウムガスを上記予冷冷凍回路（1
6）により予冷するとともに、その予冷されたヘリウム
ガスをＪ−Ｔ膨脹させて極低温レベルの寒冷状態を発生
させるＪ−Ｔ回路（19）とからなる。そして、この冷凍
機（14）の冷凍機本体（15）はクライオスタット（２）
の上面に対して、冷凍機本体（15）のケース（15a）下
端の取付フランジ部（15b）を上記挿入部材（13）上端
に設けた取付フランジ部（13a）に機密状に締結するこ
とによって取り付けられている。

上記冷凍機本体（15）のケース（15a）内には、第１図
に拡大詳示するように、予冷冷凍回路（16）およびＪ−
Ｔ回路（19）をそれぞれ構成する構成ユニットが収納さ
れている。すなわち、部分的にしか図示しないが、予冷
冷凍回路（16）側の構成ユニットとしては、圧縮機から
のヘリウムガスを膨脹させてヒートステーション（図示
せず）に所定温度レベルの低温状態を発生する膨脹機
（18）が配置されている。一方、Ｊ−Ｔ回路（19）側の
構成ユニットとしては、上記膨脹機（18）のヒートステ
ーションで熱交換により冷却されたヘリウムガスをリタ
ーン側のヘリウムガスと熱交換させて冷却する複数のＪ
−Ｔ熱交換器（20），（20），…と、該Ｊ−Ｔ熱交換器
（20），（20），…で冷却されたヘリウムガスをジュー
ルトムソン膨脹させるＪ−Ｔ弁（21）（ジュールトムソ
ン弁）とが内蔵されている。また、冷凍機本体（15）内
には外部からの熱侵入をシールドする所定温度レベルの
輻射シールド部（22）が配設されている。

さらに、（23）は上記Ｊ−Ｔ弁（21）で膨脹した後のヘ
リウムガスを蒸発させてその潜熱により極低温レベルに
冷却される冷却器としての再凝縮器であって、該再凝縮
器（23）は、上記クライオスタット（２）の液体ヘリウ
ム容器（３）内上部に配設されている。

そして、この再凝縮器（23）と上記冷凍機本体（15）の
ケース（15a）とは熱伝導率の低い材料からなる筒状の
断熱部（24）によって一体的に連結されている。この断
熱部（24）は上記挿入部材（13）内に同心状に挿嵌さ
れ、その内部には真空室（25）が形成されている。

上記断熱部（24）内には上記冷凍機本体（15）における
Ｊ−Ｔ熱交換器（20）と再凝縮器（23）との間で冷媒を
授受する再凝縮用冷媒配管（26），（27）が配設されて
いる。また、断熱部（24）には、冷凍機本体（15）内の
輻射シールド部（22）から断熱部（24）周りの雰囲気が
上記液体窒素貯溜室（８）内の液体窒素により冷却され
て77Kの温度レベルとなる部位まで延びる円筒状の輻射
シールド部（28）が内蔵されている。

さらに、上記再凝縮用冷媒配管（26），（27）は断熱部
（24）に対してアウタおよびインナの２種類のスペーサ
（29），（30）によって断熱状態で支持されている。す
なわち、上記アウタスペーサ（29）は、テフロン樹脂か
らなり、第３図および第４図に拡大詳示するように、輻
射シールド部（28）の外周面と挿入部材（13）の内周面
との間に嵌装され、その輻射シールド部（28）の外周面
と挿入部材（13）の内周面との接触面積が最少面積とな
るように略４角形状に形成されている。

ここで、本考案の特徴として、上記筒状断熱部（24）の
下端には、断熱部（24）の径と同じ径で所定長さ下方に
延び、さらに所定のテーパで径を拡大したのち断熱部
（24）の径よりも大きい一定の径で、上記再凝縮器（2
3）の先端よりも下方にまで延びる筒状遮蔽管（31）が
設けられていて、該遮蔽管（31）により、上記再凝縮器
（23）の側方全体を散り囲むようになされている。すな
わち、再凝縮器（23）の周囲を熱シールドして、周囲温
度を4.2K付近の極低温に維持するようになされている。

なお、第２図中、（40）は挿入部材（13）においてクラ
イオスタット（２）外に位置する部分に開口された液体
ヘリウム供給口、（41）は予冷冷凍回路（16）の膨脹機
（18）に対するヘリウムガスの供給口、（42）は同排出
口である。また、（43）はＪ−Ｔ回路（19）におけるヘ
リウムガスの供給口、（44）は同排出口である。

したがって、上記実施例においては、冷凍機（14）の運
転に伴い、その予冷冷凍回路（16）における膨脹機（1
8）のヒートステーションの温度が低温レベルまで低下
するとともに、Ｊ−Ｔ回路（19）側におけるヘリウムガ
スが上記膨脹機（18）のヒートステーションで予冷さ
れ、この予冷されたヘリウムガスはＪ−Ｔ熱交換器（2
0）で冷却され、かつＪ−Ｔ弁（21）でジュールトムソ
ン膨脹した後に再凝縮器（23）で膨脹し、そのときの蒸
発潜熱によって該再凝縮器（23）の温度が4.2Kレベルの
極低温に低下する。このため、クライオスタット（２）
の内部に貯溜された液体ヘリウムがクライオスタット
（２）外からの侵入熱によってヘリウムガスに蒸発した
としても、そのヘリウムガスは、上記極低温レベルにあ
る再凝縮器（23）により冷却されて元の液体ヘリウムに
再凝縮されることとなる。その結果、高価な液体ヘリウ
ムの蒸発による消費がないので、その定期的な補充が必
要でなくなり、液体ヘリウムを冷却源とするMRI-CT
（１）のランニングコストを低減することができるとと
もに、その液体ヘリウムの補充操作の手間をもなくすこ
とができる。

そして、冷凍機（14）における冷凍機本体（15）はクラ
イオスタット（２）外部に、再凝縮器（23）はクライオ
スタット（２）内部にそれぞれ配置され、上記冷凍機本
体（15）と再凝縮器（23）とは、内部が真空状態とされ
た熱伝導率の低い材料からなる筒状断熱部（24）により
断熱状態で連結されたいわゆるプラグイン型の構造とし
ているので、クライオスタット（２）への冷凍機（14）
の挿入部分は挿入部材（13）内に挿入される再凝縮器
（23）のみであり、冷凍機（14）全体をクライオスタッ
ト（２）に装備する場合に較べて、クライオスタット
（２）における冷凍機（14）の取付部分としての開口部
が狭くて済み、クライオスタット（２）の構造を多く変
更する必要がなく、有利である。

その場合、筒状断熱部（24）の先端には、再凝縮器（2
3）の側方全体を取囲んで熱シールドする遮蔽管（31）
が設けられているので、再凝縮器（24）近辺の蒸発した
ヘリウムガスの温度は再凝縮器（31）の温度4.2Kとほぼ
同じレベルに維持されている。すなわち、ヘリウムの顕
熱負荷が殆どなくなり、再凝縮器（23）の再凝縮能力が
ヘリウムの顕熱量のために低下することがなく、よっ
て、再凝縮能力の向上を有効に図ることができるのであ
る。

また、上記のように再凝縮器（23）が遮蔽管（31）で取
囲まれているので、冷凍機をクライオスタット（２）に
装着する際、再凝縮器（23）のフィン等を他の部分との
接触による破損から保護することになり、装置保護の機
能をも果すことができる。

次に、請求項（２）の考案に係る第２実施例について説
明する。第２図は第２実施例に係る極低温冷凍機の再凝
縮器（23）付近のみを示し、断熱部（24）の下端には、
断熱部（24）を構成する円筒がそのまま下方に延びてな
る遮蔽管（31）が設けられており、該遮蔽管（31）によ
り、再凝縮器（23）の側方全体が熱シールドされてい
る。その他の構成は、上記第１実施例と同様である。

したがって、本実施例では、遮蔽管（31）により再凝縮
器（23）の側方が熱シールドされているので、上記第１
実施例と同様に再凝縮能力の向上を図ることができると
ともに、遮蔽管（31）の径が断熱部（24）の径以下に設
定されているので、上記MRI-CT（１）等の機器に配置さ
れるクライオスタットに利用する際、再凝縮器（23）を
プラグインするためのクライオスタットの開口が小さく
ても取付けが可能となり、よって、プラグイン時の対応
性が向上することになる。

なお、上記第２実施例では、遮蔽管（31）の径が暖熱部
（24）の径と同じ場合について説明したが、遮蔽管（3
1）の径が小さい場合にも、同様の効果を得ることはい
うまでもない。

（考案の効果） 以上説明したように、請求項（１）の考案によれば、極
低温冷凍機本体との間を断熱部で接続された冷媒再凝縮
用の再凝縮器をクライオスタットの極低温状態部分にプ
ラグインしてなるプラグイン型極低温冷凍機において、
再凝縮器の側方全体を熱シールドする遮蔽管を設けたの
で、再凝縮器により再凝縮される冷媒の温度をその沸点
付近の値に維持することができると共に再凝縮器を保護
することができ、よって、再凝縮器の再凝縮能力の向上
と部品の破損の防止とを図ることができる。

また、請求項（２）の考案によれば、請求項（１）の考
案における遮蔽管の径を断熱部の径以外に設定したの
で、利用機器にプラグインするに際して開口等の形状の
適用範囲が拡大し、よって、上記請求項（１）の考案と
同様の効果に加えて、利用機器への対応性を向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本考案の実施例を示すもので、第１図は第１実施
例に係る極低温冷凍機の要部を拡大して示す断面図、第
２図は第２実施例に係る極低温冷凍機の再凝縮器付近を
拡大して示す断面図、第３図は両実施例に共通する全体
構成を示す断面図である。 （２）……クライオスタット、（14）……冷凍機、（1
5）……冷凍機本体、（23）……再凝縮器、（24）……
断熱部、（26），（27）……冷媒配管、（31）……遮蔽
管。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】液体ヘリウム等の液冷媒を内部に貯溜し、
   内部が所定の極低温状態に維持されるクライオスタット
   （２）と、該クライオスタット（２）の内部に配置さ
   れ、クライオスタット（２）内の液体ヘリウムから蒸発
   したヘリウムガスを冷却して再凝縮させるための再凝縮
   器（23）と、上記クライオスタット（２）の外部に配置
   され、圧縮されたヘリウム等の冷媒ガスを膨張により冷
   却し、再凝縮用冷媒配管（26），（27）を介して上記該
   再凝縮器（23）に供給する冷凍機本体（15）とを備えた
   極低温冷凍機であって、 内部が真空状態とされた低熱伝導率材料からなり、上記
   冷凍機本体（15）と再凝縮器（23）とを断熱的に連結す
   る筒状断熱部（24）とを備えるとともに、 上記筒状断熱部（24）の先端に連設され、下方に向かっ
   て延びて、上記再凝縮器（23）の側方全体を所定の間隙
   をあけて取り囲む筒状遮蔽管（31）を備えたことを特徴
   とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】遮蔽管（31）の外径は断熱部（24）の外径
   以下に設定されていることを特徴とする請求項（１）記
   載の極低温冷凍機。