JPS5986870A - 冷凍機付クライオスタット - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はヘリウム冷凍機付２重シールドクライオスタッ
トに係り、特に大形の才亥磁気共鳴装置等に適用するの
に好適な小形のヘリウム冷凍機を一体化してなるヘリウ
ム冷凍機付２重シールドクライオスタットに関するもの
である。

〔従来技術〕

従来、才亥磁気共鳴装置に用いられている超電導マグネ
ブトの冷却用クライオスタットとしては第１図に示す構
成のものが一般に用いられていた。

第１図は側断面図、第２図は使用時の状況を示す説明図
である。

その概略構造と作用について説明すると、ｌはクライオ
スタットの本体である真空容器、２は内筒、３は冷却す
べき超電導マグネット、４は液体ヘリウム槽、５は液体
ヘリウム槽４の周囲に設けた液体ヘリウム槽４への熱侵
入を低減させろための輻射シールド用の液体窒素槽、６
は液体ヘリウム供給管、７は液体窒素シールド管、８は
常温保護管、９は液体窒素供給管、１０は常温保護管で
、また、第２図において、１１は液体ヘリウム容器、ｎ
は液体ヘリウム供給用のトランスファーチューブで、ク
ライオスタットの液体ヘリウム供給管６に接続しである
。１３は液体窒素容器、１４は液体室一 素供給用のトランス７１−チューブ、クライオスタット
の液体窒素供給管９に接続しである。

使用時には、まず、液体窒素容器１３からトランスファ
ーチューブ１４．液体窒素供給管９を経て液体窒素槽５
内に輻射シールド用の液体窒素を充填する。次いで超電
導マグネット３を収納しである液体ヘリウム槽４の中を
予冷しく予冷は液体窒素で行い、その後予冷に使用した
液体窒素を回収するのが一般的である。）、液体ヘリウ
ム容器１１からトランスファーチューブ稔、液体ヘリウ
ム供給管６を経て液体ヘリウム槽４内に液体ヘリウムを
充填して使用可能状態とする。

充填終了後は、トランスファーチューブ校、１４を抜い
て、液体ヘリウム供給管６．液体窒素供給管９の先端に
それぞれ蒸発ガスを逃がすためのガス抜き栓をはめる。

このような従来方式のクライオスタットにおいては、外
部からの熱侵入（伝導および輻射による。）のため液体
窒素や液体ヘリウムの蒸発が多くなり、液体窒素や液体
ヘリウムの充填を頻繁に行わねばならず、運転の継続が
煩雑になる上、ガス化が主体になることからランニング
コストが高くなり過ぎるという欠点があった。特に輻射
シールド槽（液体窒素槽５）における液体窒素は蒸発が
多く、充填頻度が１週間に１度と多くなり、また、液体
ヘリウムも１〜２か月に１度の充填は避けられないのが
実情であった。

〔発明の目的〕

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的とする
ところは、液体ヘリウム槽への侵入熱を大幅に低減する
ことができ、さらに、シールドガスの再液化ができるヘ
リウム冷凍機付２重シールドクライオスタットを提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、輻射シールドを２重とし、このそれぞ
れの輻射シールドに液化ガス檜な設け、このそれぞれの
槽内に沸点が異なる液化ガスを充填し、このそれぞれの
液化ガスの冷却をヘリウム冷凍機で行う構成とした点に
るる。

〔発明の実施例〕

以下本発明を第３図〜第５図に示した実施例を用いて詳
細に説明する。

第３図は本発明のクライオスタットの一実施例を示す側
断面図、第４図は第３図の要部詳細断面図で、第３図に
おいて、第１図、第２図と同一部分は同じ符号で示し、
ここでは説明を省略する。

５ａは第２輻射シールド、５ｂ１．！第１輻射シールド
、６は液体ヘリウム供給管、７は第１図の液体窒素シー
ルド管に相当する第２シールド管、１５は第１シールド
管、１６は常温保護管、１７は第２輻射シールド５ａに
貯蔵する低温液体（例えば沸点２７°Ｋ（７）液体ネオ
ン）の供給管、１日はシールド管、１９は常温保護管、
加は輻射シールド５ｂに貯蔵する低温液体（例えば沸点
７７°にの液体窒素）の供給管、２１は常温保護管、ｎ
ｌ！第１段膨張機、ｎは第２段膨張機、Ｕは第１段熱交
換器、５は第２段熱交換器、がは第１段コールドステー
ション、笈は第２段コールドステーション、甥は減圧弁
、四は第２輻射シールド５ａにおける低温液体が侵入熱
によって気化するのを再液化するための凝縮熱交換器、
（資）は第１輻射シールド５ｂにおける低温液体が侵入
熱によって気化するのを再液化するだめの凝縮熱交換器
、３１は第１段膨張機ｎおよび第２段膨張機２３な往復
動させるための駆動装置、ｎは膨張機２２．２３．熱交
換器冴、２５にヘリウムガスを供給するための圧縮機で
ある。

次に、まず、膨張ｆｉ２２．２３の動作２作用について
第４図を用いて説明する。圧縮根羽から吐出された高圧
のヘリウムガスは、一体のディスプレーサオ、３４が下
方にあるときに、ガス供給管あ、第１段膨張機ｎのディ
スプレーサおの高温端側に設けられたガス導入溝あ、導
入孔３７を経て蓄冷器室間に送られ、連絡孔３９．吹出
孔旬を通って第１段膨張室４１に供給される。同時に連
絡孔器を通った高圧ヘリウムガスは、第２段膨張機乙の
ディスプレーサＭの蓄冷器室４２に送られ、吹出孔４を
通って第２段膨張室料に供給される。

第１段膨張室４１．第２段膨張家柄に供給された高圧ヘ
リウムガスは、ディスプレーサオ、３４が上方に移動す
る過程で断熱膨張し、寒冷を発生する。

ディスプレーサオ、３４がさらに移動して上端付近に達
すると、ガス導入溝あが圧縮根茎の低圧吸込ラインに連
絡されたガス戻り管４５につながり、第１段膨張室４１
．第２段膨張室４４内のガスは蓄冷器室ア、４２を通っ
て蓄冷材を冷却しながら圧縮機ｎの低圧吹込ラインに戻
りはじめ、ディスプレーサオ、３４が下降する過程で排
気を終る。そして、再びディスプレーサオ、３４が下端
付近にきてガス導入溝あがガス供給管あとつながると、
圧縮根茎からの高圧ガスが蓄冷器室オ、４２に送られる
。蓄冷器室間、４２ではすでに蓄冷材が膨張ガスによっ
て冷却されているため、入ってきた高圧ガスがこれと熱
交換して冷却されながら第１段膨張室４１．第２１９膨
張室Ｉに供給される。冷却されて供給された高圧ガスは
、続く断熱膨張でさらに低温になり、蓄冷器室ア、４２
の中の蓄冷材を冷却しながら排気される。同様の作用を
繰り返すことによって蓄冷器室オ、４２の温度は降下し
、それにつれて第１段シリンダ拓、第２段シリンダ４７
の先端部の温度も降下する。

一方、圧縮機３２から供給される高圧のヘリウムガスの
一部は、第１段熱交換器冴の高圧流路招に供給され、第
２段熱交換器５の中を通る過程で対向して流れる低圧低
温のヘリウムガスで冷却されて、第１段コールドステー
ション漢に送られる。

ここでは＠１段シリンダ耗の先端部が膨張［２２の作用
によって冷却されているため、そのまわりに配管をコイ
ル状に巻き付けた第１段コールドステーションがも冷却
されており、そこを通過する過程で高圧ヘリウムガスも
冷却される。第１段コールドステーション部を出た後は
、第２段熱交換器５の高圧流路を通り、第２段コールド
ステーションｎに送られる。第２段コールドステーショ
ンｎも同様に第２段シリンダ４７の先端部温度が膨張機
田の作用によって冷却されているため、そこを通過する
過程で高圧ヘリウムガスも冷却される。

第２段コールドステーションｎを出た後に減圧弁器で減
圧されて凝縮熱交換器器に入る。ここでは第２輻射シー
ルド５ａの中の低温液体が侵入熱によって気化するので
再液化する。その後、第２段熱交換器６の低圧流路を通
り、ここで高圧ガスの冷却を行いながら低圧ガス自身は
温度上昇して第１輻射シールド５ｂの中に設置しである
凝縮熱交換器（支）に入り、ここで第１輻射シールド５
ｂの中の低温液体が侵入熱によって気化するので再液化
する。凝縮熱交換器（資）を出た低圧ガスは、第２段熱
交換器５の低圧流路を通ってガス戻り管４５を経て圧縮
機３２に戻る。

第２段熱交換器５および第１段熱交換器冴の低圧流路を
通る過程では、対向して流れる高圧ガスを冷却する働き
をする。

上記（）た本発明の実施例によれば、７７°にレベルト
２７°にレベルの２重の輻射シールドな設けることによ
って液体ヘリウム槽４への侵入熱（すな程度に低減でき
るので、液体ヘリウムの充填頻度を６〜９か月に１度と
大幅に減少することができる。また、各輻射シールド５
ａ、５ｂの冷却を小形ヘリウム冷凍機で行うようにして
いるので、液体窒素の充填作業をなくすことができる。

なお、侵入熱低減の根拠は、従来の場合の侵入熱Ｑ１は
、 Ｑｌ−ｑｒ＋ｑｅ　　　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・　（１）ここに、ｑｒ：
　　輻射による侵入熱 ｑｃ：　　伝導による侵入熱 で表わされ、輻射シールド５の温度が７７°にで、液体
ヘリウム槽４の温度力（４，２０にであるから、である
。これに対して上記した本発明の実施例の場合の侵入熱
Ｑ２は、 Ｑ２　＝　ｑｒ　”　Ｑｅ　　　　　　　　・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・　（３）ここに、ｑ
　（：輻射による侵入熱 ｑＪ：伝熱にまる侵入熱 で表わされ、 なお、伝達距離はｉになるから ｑｃ′＝Ｋｃ・（２２，８Ｘ２）＝Ｋｃ−４５，６、、
、、、−（５１ところで、現状ではｑｒ：ｑｃ中２：１
　であるから、（１）式に（２）式を代入し、また、（
３）式に＋４１．　＋５１式を代入し、Ｑ′／　　を求
めれば、 １ ＝０．０１　＋０．２０６＝０．２１７　　　・・・・
・・・・・　（６）となる。これより侵入熱が約１１５
になることがわかる。

第５図は本発明の他の実施例を示す第３図に相当する側
断面図で、第３図と同一部分は同じ符号で示し、ここで
は説明を省略する。第５図においては、第２輻射シール
ド５ａおよび第１輻射シールド５ｂの一部をそれぞれ第
２段膨張機おの第２段コールドステーションｎおよび第
１段膨張槻ｎの第１段コールドステーション加に直接接
触させて冷却する方式としである。

第５図に示す実施例によれば、膨張機ｎ、２３の据付時
の接触さえ良好とすれば熱交換器が不要となり、全体構
造を大幅に簡略化できるという新らたな効果がある。そ
の他の効果は第３図の場合と同様である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、液体ヘリウム槽
への侵入熱を大幅に低減することができ、冷却用の液体
ヘリウムの蒸発量を大幅に低減でき、さらに、シールド
ガスの再液化ができるので、充填が不要になるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超電導マグネットの冷却用クライオスタ
ツトの側断面図、第２図は第１図の使用の状況を示す説
明図、第３図は本発明のへ１ノウム冷凍機付２重シール
ドクライオスタヴトの一実施例舎示す側断面図、第４図
は第３図の要部詳細断面図、第５図は本発明の他の実施
例を示す第３図に相当する側断面図である。 １・・・・・・真空容器、２・・・・・・内筒、４・・
・・・・液体ヘリウム槽、５ａ・・・・・・第２輻射シ
ールド、５ｂ・・・・・・第１輻射シールド、ｎ・・・
・・・第１段膨張機、ｎ・・・・・・第２段膨張機、冴
・・・・・・第１段熱交換器、５・・・・・・第２段熱
交換器、が・・・・・・第２段コールドステーション、
γ・・・・・・第２段コールドステーション、あ・・・
・・・Ｍ圧弁、四、３０・・・・・・凝縮熱交換器、３
１・・・・・・駆動装置、牙１０ 才３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液体ヘリウム槽と、該液体ヘリウム槽の周囲に設け
   た該液体ヘリウム槽への侵入熱を低減させるための輻射
   シールドと、前記液体へ１１ウム槽と前記輻射シールド
   とを収納する真空容器とからなるクライオスタツトにお
   いて、前記輻射シールドを２重とし、該それぞれの輻射
   シールドに液化ガス槽を設け、該それぞれの槽内に沸点
   が異なる液化ガスを充填し、該それぞれの液化ガスの冷
   却をヘリウム冷凍機で行う構成としたことを特徴とする
   ヘリウム冷凍機付２重シールドクライオスタット。 ２、前記ヘリウム冷凍機は、２段式膨張機と二つの熱交
   換器とによって構成してあり、該二つの熱交換器１結ぶ
   ヘリウムガス回路の一部に二つの凝縮熱交換器を設け、
   該二つの凝縮熱交換器はそれぞれ前記それぞれの輻射シ
   ールド用の液化ガス槽内に設置した特許請求の範囲第１
   項記載のヘリウム冷凍機付２重シールドクライオスタッ
   ト。 ３、前記ヘリウム冷凍機は、２段式膨張機を用いて構成
   してあり、該それぞれめ膨張機の先端部と前記それぞれ
   の輻射シールド用の液化ガス檜とはそれぞれ熱的に直接
   接触させた特許請求の範囲第１項記載のヘリウム冷凍機
   付２重シールドクライオスタット。