JPS6069462A - 極低温用冷却装置の冷却方法 - 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、極低温用冷却装置に係１ハ特に小形ヘリウム
冷凍機と組合せて超電導マグネットの冷却を行うのに好
適な極低温用冷却装置の冷却方法に関するものである。

〔発明の背景〕

従来、ＮＭＲ−ＯＴ　（様磁気共鳴装置）における超電
導マグネットの冷却には第１図に示すようなりライオス
タットが一般に用いられてきた。

その構造と作用について説明すると、１はクライオスタ
ンドの外壁、２は液体ヘリウム槓、３は液体ヘリウム槽
２内に装着された超電導マグネット、４は液体ヘリウム
槽２へのふく射熱侵入を低減するだめの液体窒素槽、４
′は液体窒素槽４に連結されたシールド板、５は液体ヘ
リウム供給管、６は液体ヘリウム供給管５の低温支持管
、７は同様に、液体ヘリウム供給管５の常温支持管、８
は液体窒素供給管９は液体窒素供給管８の支持管、ｌＯ
は真空空間である。

すなわち、超電導マグネット３は常時液体ヘリウム中に
浸漬されて４．２に付近に冷却され、安定した超電導状
態を保っている。

また図中において、下向きの矢印は液１ヒガスの供給を
示し、上向きの矢印は液化ガスの蒸発を示す。

このような従来の超電導マグネット冷却方法の場合、液
体窒素槽４および液体ヘリウム槽２への熱侵入があると
、それに相当するだけの液体窒素及び液体ヘリウムを蒸
発させるので、ＮＭＲ−ＯＴのように連続運転する場合
には、液体窒素及び液体ヘリウムの補給作業が繁雑にな
り、しかも補給する液化ガスの費用も大きくなるという
問題があった。

そこで、特に高価な液体ヘリウムガスの蒸発量を減らす
方法として、第２図に示すように液体ヘリウム槽２と液
体窒素槽４およびシールド板４′の間に新たな第２シー
ルド板％を設け、液体窒素槽４および第２シールド板関
を小形ヘリウム冷凍機５２で冷却する方法が試みられて
いる。

この方法では、２段蓄冷器式の小形ヘリウム冷凍機５２
の第１ステージ団に液体窒素槽４を接続し、第２ステー
ジ図に第２シールド板関を接続する。

小形ヘリウム冷凍機５２はヘリウム圧縮機５１から高圧
ヘリウムガスの供給を受け、第１ステージ５３およびｆ
：Ａ２ステージ馴においてシリンダ内を往復動する蓄冷
器内蔵のテ゛イスプレーサ（図示せず）の働きによって
断熱膨張し、それぞれ第１ステージ団では７７に、第２
ステージシでは２０Ｋになる。

したがって、それらに接続された液体窒素槽４およびシ
ールド板４′は７７Ｋに、第２シールド板聞は２０Ｋに
それぞれ冷却される。

第１図の場合、液体ヘリウム槽２は液体窒素槽４および
シールド板４′からのふ（射熱、ならびに熱伝導により
熱侵入を受けていた。

これに対して第２図の場合、２０にのシールド板間から
ふ４射熱、ならびに熱伝導により熱侵入を受けるように
なる。

したがって、第２図の場合は第１図の場合に比べて液体
ヘリウム槽２への熱侵入を約１７６に低減することがで
きる。

しかしながら、第２図の場合も液体窒素の蒸発はな鳴な
るが、液体ヘリウムは蒸発するため補給作業を必要とす
る。しかも第２シールド板郭の設置によりクライオスタ
ンドとしての構造は複雑になるという問題があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前述の問題点を解消して液体ヘリウム
、液体窒素の蒸発をなくし、その結果としてこれら液化
ガスの補給作業をな々した超電導マグネットの冷却に好
適な極低温冷却装置の冷却方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、クライオスタンドの外壁内の空間に熱交換器
および膨張機からなるヘリウム冷凍機を収納し、液体窒
素槽および液体ヘリウム槽内の液体窒素および液体ヘリ
ウムを前記ヘリウム冷凍機で冷却することにより、従来
のクライオスタットにおける問題点を解決したものであ
る。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の一実施例を第３図によって説明する。第
３図において、第１図、第２図と同一部分は同一符号で
示し、説明を省略する。

１１は第１段圧縮機、１２は第２段圧縮覧、１３は第１
熱交換器、１４は第２熱交換器、１５は第３熱交換器、
１６は第１段膨張機、１７は第２段膨張機、１８は液体
窒素ｗ１４内に設置された第１凝縮熱交換器、１９は液
体ヘリウム槽２内に設置された第２凝縮熱交換器、加は
ジュールトムソン弁である。

第２段圧縮［１２より吐出された高圧ヘリウムカスは、
第１熱交換器１３の高圧流路を通って冷却され、そこを
出たところで分岐し、大部分は液体窒素槽４内の第１凝
縮熱交換器１８に入り、ここで液体窒素を冷却する。春
鼾窒虜遥瀦力４占液体窒素を冷却したヘリウムガスは第
１段膨張機１６に入り、ここで断熱膨張して中圧、低温
のガスとなり、第２熱交換器１４の高圧流路を流れるヘ
リウムガスを冷却しながら通過した後第２段膨張機１７
に入り、ここでもう一度断熱膨張して低圧でさらに低温
のガスとなって第２熱交換器１４と第３熱交換器１５の
間の低圧ラインに入る。

一方、第１熱交換器１３を出たところで分岐した残りの
高圧ガスは、第２熱交換器１４の高圧流路に入り、ここ
を通過する過程で第１段膨張機１６を出た中圧、低温の
ガスおよび低圧流路を流れる低圧。

低温のガスによって冷却され、第２熱交換器１４を出た
後第３熱交換器１５に入り、ここでさらに低圧。

低温のガスにより冷却されて約６に程度になり、ジュー
ルトムソン弁加で、ジュールトムソン効果により液１ヒ
される。液ｆヒされると同時に低圧、低温になって液体
ヘリウム槽２内の第２凝縮熱交換器１９に入り、ここで
液体ヘリウム槽２内の蒸発ガスを冷却、再凝縮させる。

蒸発ヘリウムガスを再凝縮させるときに管内のヘリウム
ガス自身は熱負荷を受けて蒸発し、第３熱交換器１５の
低圧流路に入りここを通過する過程で対向して流れる高
圧ヘリウムガスを冷却し、低圧ガス自身はｍ度上昇しな
がら第３熱交換計１５を出たところで第２段膨張機１７
を出たガスと合流して、第２熱交換器１４の低圧流路に
入る。

しかして、低圧ガスは低圧流路を通る過程で高圧流路を
流れるガスを冷却し、自身はさらに温度上昇して第１熱
交換器１３に入り、ここでも高圧流路のガスを冷却しな
がら通過してダ１１段圧縮機１１の吸込側に戻る。

このようなヘリウム冷凍機付クライオスタットにおいて
長も重要なことは、液体窒素槽４およびシールド板４′
と液体ヘリウム槽２への熱侵入をバランスさせることで
ある。

ところが、第１図に示したような従来例では特別な配慮
がなされていないため、液体窒素槽４への侵入熱と液体
ヘリウム槽２への侵入熱の比はほぼふ（射熱の割合にな
っており、おおよそ２００：１である。

外Ｊｌｌから液体窒素槽４へのふゆ射熱侵入量Ｑ。

は Ｑ、＝　σξＡ　（３００’−７７’）液体窒素槽４か
ら液体ヘリウム槽２へのふく射熱侵入量Ｑ、は Ｑｖ　＝　６　ａ　Ａ　（７７’　−４，２’　）ただ
し σ：ステファンボルツマン定数 ｌ：相対ふ鳴射率 Ａ：ふく射面積 とする。

００ 、’、Ｑ、／Ｑ、中□＝２３０ ７ 一方、冷凍機の方からみれば、液体窒素温度レベル（７
７Ｋ）での冷却能力、すなわち第１凝縮熱交換器１８で
の能力Ｑ；と液体ヘリウム温度レベル（４２〜４４Ｋ）
での冷却能力、すなわち第２凝させる方がサイクル設計
は容易である。

特に、本実施例のように第１段膨張機１６と第２段膨張
機１７が直列配置になっていて、同じ流量の場合には、
第１段膨張機１６での寒冷発生量と第２段膨張機１７で
の寒冷発生量の比率が大きく相違しない（高々数倍程度
）のでＱＣ、ＱＨは近い方がよい。

そのためにはＱ、’Ｑ、を小さくする必要がある。

このような例は膨張タービンを用いるときによくみられ
る。

一般にはＱ；／　Ｑ；は高々４０〜５０である。したが
って、ヘリウム冷凍機付クライオスタンドでは、液体窒
素槽４およびシールド板４′への熱侵入をできる限り低
減させることが必要になる。

第３図において、その−例を示しており、３１は液体窒
素槽４およびシールド板４′の外側を被覆するごとく装
着した真空多層断熱祠で、３２はクライオスタンドの外
壁１の内表面、および常温内筒の外表面を覆うように装
着した低ふそ射率反射材である。

本実施例によれば、液体窒素槽４及びシールド板４′へ
の熱侵入を減らすことにより、それによってヘリウム冷
凍機で液体窒素及び液体ヘリウムの蒸発をなくすること
ができるので、液化ガスの補給作業をまったくな（する
ことができるという効果がある。

第４図は本発明の他の実施例を示したもので。

第３図との相違点について説明すると、液体窒素槽４の
外側に真空多層断熱材３１を装着する代りに。

クライオスタンドの外槽１と液体窒素槽４の間に第３シ
ールド板４を設置し、それを第１熱交換器１３の途中か
ら取出した冷却コイルｎと熱的に接触させて冷却するよ
うにしたものである。

この第３シールド板２１の温度としては２３３に程度で
も、これがない場合に比べて（すなわち３００にの外槽
１から７７にの液体窒素槽４へ直接ふく射熱侵入する場
合に比べて）、液体窒素槽４への侵入熱は約３分の１に
なるので、真空多層断熱材３１をな４すことができる。

また、第３シールド板２１に接続した支持部材ｎ、２４
をそれぞれ液体ヘリウム供給管５及び液体窒素供給管８
に取付けることによって、それらの液「ヒガス供給管５
，８を通して熱伝導により侵入する熱をも低減すること
ができる。このように本実施例によればシールド板２１
を一枚追加することによって液体窒素槽への熱侵入量が
低減できるので、真空多層断熱材３１の施工をすること
な（ヘリウム冷凍機付クライオタソトの実現が可能にな
るという効果がある。

本実施例では、第１熱交換器１３の途中から取出して冷
却コイルｎを構成したが、この第１熱交換器１３を２分
割して第１前段熱交換器、第１後段熱交換器としても同
様な効果を得ることができる。

第５図は本発明のさらに他の実施例を示したもので、第
４図との相違点について説明すると、第３シールド板２
１の一部を第１段膨張機１６、第２段膨張機１７のケー
シングに接続したことである。膨張機として膨張タービ
ンを採用した場合、ＮＭＲ−ＯＴのような比較的小形の
マグネットを冷却するには、ヘリウム冷凍機としては商
々３〜５Ｗ（４４Ｋ）程度の能力に加えて５０Ｗ（７７
Ｋ）程度のシールド板冷却能力があればよい。そしで、
そのような小形ヘリウム冷凍機に膨張タービンを適用す
るには、従来にみられないような超小形の膨張タービン
を使用することになる。

従来膨張機として膨張タービンが利用されるのは、冷凍
能力として３ＱＷ（４，４Ｋ）以上のものが一般的であ
る。その理由は、膨張タービンは膨張エンジンに比べて
吸、排気弁を必要とせず、ガスベアリングを利用するの
で寿命などですく゛れている反面、高速回転、大ガス流
量が効率維持の条件であるため、一般に大形ヘリウム冷
凍機に限られていた。

したがって膨張タービンそのものも小形になるしかして
、膨張タービンの寒冷を発生させる低温の先端から、回
転を制御するファンを有する常温端までの寸法も小さな
ものになり、その上低温端は第１段膨張８！１６で７０
に以下、第２段膨張８！１７では２０に以下となるため
、ロータやケーシングを通しての熱侵入が比較的太き（
なる。

一方、超小形の膨張タービンでは寒冷発生量が小さいの
で、この熱侵入の増大はタービン効率の低下をまね（。

そこで１図のように第３シールド板２１に第１段膨張機
１６、第２段膨張機１７のケーシングの一部を接続する
ことにより、常温部からの熱侵入を防止するようにした
ものである。

また、低温側の第２段膨張機１７では、さらに液体窒素
槽４に接続された第４シールド板部をケーシングの低温
端側に接触させて寒冷発生部への熱侵入をさらに低減さ
せるものである。

本実施例によれば、超小形膨張タービンを第１段膨張機
、第２段膨張機に採用した場合に寒冷発生部への熱侵入
を低減することができ、したがって膨張機効率の低下を
防止することができるという効果がある。

゛〔発明の効果〕 以上述べたように本発明によれは、液体窒素槽への熱侵
入量と液体ヘリウム槓への熱侵入量を近づける二とがで
きるので、１台の小形ヘリウム冷凍機で効率よくクライ
オスタンドを冷却することが可能になり、液体ヘリウム
及び液体窒素の補給作業をなくすることができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の超電導マグネット冷却用クライ
オスタットの縦断面図、第３図は本発明の一実施例を示
すヘリウム冷凍機を備えた極低温用冷却装置の縦断面図
、第４図および第５図は本発明の他の実施例を示す極低
温用冷却装置の縦断面図である。 ｌ・・・・・・クライオスタットの外壁、２・・・・・
・液体ヘリウム槽、３・・・・・・超電導マグネット、
４・・・液体窒素槽、４′・・・・・シールド板、５・
・・・・液体ヘリウム供給管、６・・・・・・低温支持
管、７・・・・・・常温支持管。 ８・・・・・・液体窒素供給管、９・・・・・・支持管
、１０・・・真空空間、１１・・・・・・第１ｆｉ圧縮
機、１２・・・・・・第２段圧縮機、】３・・・・・・
第１熱交換器、１４・・・・第２熱交換器、１５・・・
・第３熱交換器、　１６・・・・・・第１段膨張機、１
７・・・第２段膨張機、１８・・・・・・第１凝縮熱交
換器、１９　・・・第２凝縮熱交換器、加・・・・ジュ
ールトムソン弁、２１・・・・・・第３シールド板、２
２・・・・・・冷却コイル、田。 冴・・・・・　支持部材、６・・・・・・第４シールド
板、３１・・・・・真空多層断熱材、ｎ・・・・・・低
ふ４射率反射材、５１・・・・・・・・第１ステージ、
詞・・・・・第２ステージ、箕・・・・矛１図 ／１１７２０ ｊ 矛３図 第４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への熱侵入を
   低減するためにその周囲に設けられた液体窒素槽および
   シールド板ならびにその外側を真空で包囲した外壁とよ
   りなるクライオスタットと、前記外壁内に冷凍機を備え
   た極低温用冷却装置において、前記冷凍機で発生した低
   温ガスを前記液体ヘリウム槽および液体窒素槽内の蒸発
   ガスと熱交換させて凝縮液化させると共に。 低温ガスにより前記シールド板を冷却することを特徴と
   する極低温用冷却装置の冷却方法。 ２、「記低温ガスにより前記液体窒素槽と外壁間のシー
   ルド板を冷却する特許請求の範囲第１項記載の極低温用
   冷却装置の冷却方法。 ３、前記冷凍機の寒冷発生手段を第１段膨張機と第２段
   膨張機で構成し、該第１段膨張機および第２段膨張機の
   ケーシングと前記シールド板の一部とを熱的に接触させ
   てシールド板を冷却する特許請求の範囲第２項記載の極
   低温用冷却装置の冷却方法。 ４　前記第２段膨張機のケーシング低温端側と液体窒素
   槽とをシールド板を介して熱的に接触させてシールド板
   を冷却する特許請求の範囲第３項記載の極低温用冷却装
   置の冷却方法。