JP2008286484A - 冷却菅 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱媒体の凝固温度以下の冷凍機にて、冷却管を安定に動作させ、寒冷露出部を目標温度に到達・維持させることができる冷却菅を提供する。
【解決手段】 筒状真空容器２２の上端部に取り付けられた極低温冷凍機１１の寒冷発生部１３が真空容器２２内に配置され、熱媒体が封入され真空容器２２の下端にて寒冷露出部１８を形成する伝熱管２１を介して外部に露出する冷却菅において、熱媒体の状態量を検出する検出手段１０１と、状態量を変化させる操作端１０３と、熱媒体の状態量が所定の設定値となるように操作端１０３を駆動することにより、熱媒体を凝固点以上かつ沸点以下の状態に制御する制御手段１０２とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生体磁気計測用の極低温クライオスタット等に使用する冷却管に関し、特に冷却管の動作の安定化に関する。

生体磁気計測用の極低温クライオスタット等の寒冷発生手段として、ヘリウム蒸発量低減及び磁気雑音発生の低減を図った冷却管が、従来から提案されている。この場合、冷却管の構成の中心は、寒冷発生部としての極低温冷凍機と、必要とする対象に寒冷を提供する寒冷露出部とを真空断熱容器で分離し、この間を輻射断熱したヒートパイプで接続する点にある。

図３はこのような冷却管の従来例で、脳磁計のヘリウム蒸発量低減などに使用するものの基本構造を示す縦断面図である。

なお、以下説明の都合上、寒冷とは熱を吸収することを意味し、熱の発散や熱の流れとは逆の意味で使うものとする。また冷凍機に付属する高圧ガス供給配管やガス圧縮機等は省略するものとする。

図３において、冷凍機の膨張機１１は、ＳＵＳ等の熱伝導の低い非磁性金属でできており、さらにＳＵＳ製筒状真空容器の上端部に気密に取り付けられている。真空容器は、前記冷凍機が結合する上部真空容器１２とその下部に連結延長されたＳＵＳ管製の下部真空容器１７よりなる。

寒冷発生部１３は銅製であり、上部真空容器１２内の空洞部に配置されている。この寒冷発生部１３は、冷凍機の膨張機１２と結合して冷凍機の構造の一部を形成しており、この部分で極低温を発生する。

多層熱輻射シールド箔１４は、熱輻射シールド部材を形成する。その構造は、マイラー等のプラスチック等のフィルムにアルミ等の熱反射効率の高い金属を蒸着した熱輻射シールド箔を、互いに接触しないよう熱伝導率の小さい薄いプラスチック製スペーサで多層にしたものであり、箔の外部からの輻射伝熱を防止する高性能保冷材として機能する。

伝熱管１５は、寒冷発生部１３にその一端が接続されたヒートパイプ等で形成される。この伝熱管１５は、下部真空容器１７内に収容され、他端が下部真空容器１７の下端より外部に露出して外部に寒冷を伝達する寒冷露出部１８を形成している。

この伝熱管１５の機能は、寒冷を外部に伝達するもので、距離の短い場合や熱輸送量の小さな場合は銅やアルミブロックでもよい。ヒートパイプの場合、寒冷発生部１３の温度に応じて内部封入ガス種を変えるが、例えば５０Ｋ〜８０Ｋの窒素温度を伝達するには窒素ガスを適当な圧力で封入するか、当該温度領域及び内部ガス圧で液相―気相の状態を持ちうるガスを封入する。

前記熱輻射シールド箔１４は、前記寒冷発生部１３に結合しており、上部真空容器１２内の寒冷発生部１３及び下部真空容器１７内の伝熱管１５を囲んで配置され、箔の外部からの輻射伝熱を防止する。スペーサ１６は熱伝導率の低い樹脂等からなり、下部真空容器１７と伝熱管１５が熱的に短絡するのを防ぐ目的で挿入されている。

真空封止弁１９は、上部真空容器１２の外周部に取り付けられる。内部のガスを排出するために真空引き装置に接続して弁を開く時にのみ使用し、通常は閉じて気密を保つ。封止板２０は、下部真空容器１７の下端における伝熱管１５の貫通部分にあって、両者の気密接合を確保する。

ＳＵＳ製管の下部真空容器１７は、先端部に行くに従って肉薄とし、寒冷露出部１８より下部真空容器１７の上部方向への伝導伝熱が小さくなるようにする。又封止板２０は、肉薄でバネ性を持つものとし、下部真空容器１７と伝熱管１５の温度差及び下部真空容器１７の上部下部の温度差による線膨張差による歪を吸収するバネ性を持つものとする。

冷凍機としてＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機やパルスチューブ冷凍機等の１段冷凍機を使用する場合には、冷凍機膨張機１１の銅製寒冷発生部１３で４０〜８０Ｋ程度の寒冷を発する。外部との熱交換はこの部分を通じて行われる。

磁気雑音は、冷凍機の膨張機１１及び寒冷発生部１３を収容する上部真空容器１２を中心として発するが、磁気雑音は距離減衰が大きく距離の２〜３乗で減衰する。従って、寒冷発生部１３を別の手段で延長すれば、生体磁気計測等の微弱磁気計測に利用することができる。

伝熱管１５は、伝熱すべき熱輸送量が小さい場合は銅やアルミ等の熱伝導度の高い棒で形成してもよいが、磁気雑音減衰に十分な所定長の伝熱距離ｄ（伝熱管１５の長さ、１３〜１８の間隔）を確保した場合及び輸送熱量が数ワット以上の場合には、寒冷露出部１８の温度が上昇してしまわないように、内部に作動流体を封入したヒートパイプを用いる。

ヒートパイプは上部が低温、下部が高温のとき流体が気相―液相で相変換しながら上下に移動することにより熱輸送するもので、気相で下部から上部に移動する移動度が特に高いことから効率的な熱輸送が実現できる。

使用する温度領域で気相―液相が内部で混在しなければならないため、例えば５０Ｋ前後の冷凍機では、作動流体として窒素等を封入することで、効率的熱輸送が実現できる。

この際、冷却過程にある時等では温度が高すぎると液相が形成されず、効率的な熱輸送がなされないため、より沸点の高いガスを封入するか、沸点の異なるガス種を封入した複数のヒートパイプを併置してもよい。

寒冷発生部１３周囲及び伝熱管１５の周囲は、上部真空容器１２及び下部真空容器１７で密閉し真空断熱すると共に、多層熱輻射シールド箔１４で熱侵入を防止している。更に、上下真空容器を形成するＳＵＳ製管は熱伝導率が低いため、容器を通じた伝導による熱侵入を低減させる。ＳＵＳ製管の先端部は熱伝導率を低くするため肉薄とする。

以上の冷却管構造により、寒冷を遠方に伝送できるため、生体磁気計測用極低温クライオスタット等の寒冷必要部に熱接触させれば磁気雑音の混入を防ぐと共に冷媒蒸発量を低減させることができる。

従来の冷却菅に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００４−１１６９１４号公報

しかし、図３の冷却菅は、伝熱管としてヒートパイプを用いる場合、冷凍機１１の寒冷発生部１３が熱媒体の凝固温度以下で駆動されると、寒冷露出部１８が十分冷却される前に熱媒体が固化してしまい、目標温度に冷却することができなくなる。

本発明はこのような課題を解決しようとするもので、ヘリウム蒸発量低減及び磁気雑音発生の低減を図ることができると共に、熱媒体の凝固温度以下の冷凍機にて、冷却管を安定に動作させ、寒冷露出部を目標温度に到達・維持させることができる冷却菅を提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
筒状真空容器の上端部に取り付けられた極低温冷凍機の寒冷発生部が前記真空容器内に配置され、熱媒体が封入され前記真空容器の下端にて寒冷露出部を形成する伝熱管を介して外部に露出する冷却菅において、
前記熱媒体の状態量を検出する検出手段と、
前記状態量を変化させる操作端と、
前記熱媒体の状態量が所定の設定値となるように前記操作端を駆動することにより、前記熱媒体を凝固点以上かつ沸点以下の状態に制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の冷却菅において、
前記検出手段は前記熱媒体の圧力を検出する圧力センサで構成され、
前記操作端は前記伝熱管に配管接続された流量制御弁で構成され、
前記制御部は、前記圧力センサから出力される検出信号が所定の設定値となるように、前記流量制御弁を駆動して、前記伝熱管への前記熱媒体の注入及び排出を制御する圧力コントローラで構成され、
前記流量制御弁に前記熱媒体を供給する熱媒体供給源を備えた
ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載の冷却菅において、
前記検出手段は前記伝熱管の上端付近の前記熱媒体の温度を検出する温度センサで構成され、
前記操作端は前記寒冷発生部を加熱する加熱手段で構成され、
前記制御部は、前記温度センサから出力される検出信号が所定の設定値となるように前記加熱手段を駆動する温度コントローラで構成された
ことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷却菅において、
前記伝熱管としてヒートパイプを用いた
ことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、筒状真空容器の上端部に取り付けられた極低温冷凍機の寒冷発生部が前記真空容器内に配置され、熱媒体が封入され前記真空容器の下端にて寒冷露出部を形成する伝熱管を介して外部に露出する冷却菅において、前記熱媒体の状態量を検出する検出手段と、前記状態量を変化させる操作端と、前記熱媒体の状態量が所定の設定値となるように前記操作端を駆動することにより、前記熱媒体を凝固点以上かつ沸点以下の状態に制御する制御手段とを備えたことにより、ヘリウム蒸発量低減及び磁気雑音発生の低減を図ることができると共に、熱媒体の凝固温度以下の冷凍機にて、冷却管を安定に動作させ、寒冷露出部を目標温度に到達・維持させることができる冷却菅を提供することができる。

以下本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る冷却菅の一実施例を示す接続構成図である。なお、図３と同じ部分は同一の記号を付して、重複する説明は省略する。真空容器２２は簡略化して示しているが、図３の真空容器１２，１７からなる部分と同様である。図１では図示されていないが、図３に示されている他の要素についても同様である。圧力センサ１０１は伝熱管２１内の熱媒体の圧力を測定する。圧力コントローラ１０２は圧力センサ１０１から出力される検出信号に基づいてパージ可能流量制御弁１０３を駆動して、伝熱管２１への熱媒体の注入及び排出を制御する。ガス供給源１０４は、常温の熱媒体を供給し、配管１０５を介してパージ可能流量制御弁１０３の第１のポートに接続される。パージ可能流量制御弁１０３の第２のポートは配管１０６を介して伝熱管２１に接続され、第３のポートはパージ用配管１０７を介して大気中などに開放される。パージ可能流量制御弁１０３は三方弁からなり、圧力コントローラ１０２から送られる操作信号に応じて、ガス供給源１０４から伝熱管２１に熱媒体を注入し、かつパージ用配管１０７を介して伝熱管２１内の熱媒体を大気中に放出する。

ここで、圧力センサ１０１は熱媒体の（熱力学的な）状態量（圧力）を検出する検出手段を構成し、パージ可能流量制御弁１０３は状態量を変化させる操作端を構成する。また、圧力コントローラ１０２は、熱媒体の状態量（圧力）が所定の設定値となるようにフィードバック制御することにより、前記熱媒体を凝固点以上かつ沸点以下の状態に制御する制御手段を構成する。

図１の冷却管の動作を次に説明する。伝熱管２１内の圧力は、圧力センサ１０１により測定される。測定信号に基づき、圧力コントローラ１０２によってパージ可能な流量制御弁１０３が制御され、伝熱管２１に対して熱媒体がガス供給源１０４から供給され、伝熱管２１から熱媒体が排出されることにより、伝熱管２１内の圧力が制御される。その結果、伝熱管２１内の熱媒体は凝固点以上かつ沸点以下の状態に制御される

例えば伝熱管２１の中に１気圧（０．１ＭＰａ）の熱媒体が入っている場合、冷凍機１１がオンになると伝熱管２１内の圧力は下がり始める。設定圧力を例えば０．０２ＭＰａとすると、圧力コントローラ１０２は０．０２ＭＰａとなるように制御するので、ガス供給源１０４より伝熱管２１内に熱媒体が供給される。

逆に、冷凍機１１をオフにすると温度が上がり始める。その結果、伝熱管２１内の圧力が０．０２ＭＰａより上昇するので、流量制御弁１０３により熱媒体がパージ用配管１０７を介して伝熱管２１から排出される。

すなわち、冷凍機１１の運転を開始して寒冷発生部１３の温度が下がると、内部が中空で熱媒体が入った伝熱管２１の圧力が下がる。そこで熱媒体を注入することで伝熱管２１の熱移動を促し、凝固点以上の温度にする。逆に沸点以上になると圧力が上がり始めるので、熱媒体を排出することで伝熱管２１の熱移動を抑え、沸点以下の温度にする。

一般に、ヒートパイプに代表される伝熱管中の熱媒体の移動度はガス分子の平均自由行程によって制限されているので、上記のようにして圧力で平均自由行程を変化させ、伝熱管内の熱媒体の移動度を制御することにより、熱媒体を固化させずに、寒冷露出部２３を目標温度に到達・維持することができる。

このような構成の冷却管によれば、伝熱管２１内の熱媒体の移動度を圧力で制御することにより、熱媒体を固化させずに、寒冷露出部を目標温度に到達・維持することができる。したがって、熱媒体の凝固温度以下の冷凍機でも、冷却管を安定に動作させ、寒冷露出部を目標温度に到達・維持させることができる。

なお、上記の実施例において、パージ可能流量制御弁１０３は三方弁に限らず、注入とパージの機能をもつ他の手段を用いることができる。

図２は本発明の実施の形態に係る冷却菅の第２の実施例を示す接続構成図である。なお、図２、図３と同じ部分は同一の記号を付して、重複する説明は省略する。図２では図示されていないが、図３に示されている他の要素についても同様である。温度センサ２０１は伝熱管１５の上端部に取り付けられ、伝熱管１５の上端部における熱媒体の温度を計測する。温度コントローラ２０２は温度センサ２０１から出力される検出信号に基づいて、寒冷発生部１３に取り付けられたヒータ２０３を駆動する。

ここで、温度センサ２０１は熱媒体の状態量（温度）を検出する検出手段を構成し、ヒータ２０３などからなる加熱手段は状態量を変化させる操作端を構成する。また、温度コントローラ２０２は、熱媒体の（熱力学的な）状態量（温度）が所定の設定値となるようにフィードバック制御することにより、前記熱媒体を凝固点以上かつ沸点以下の状態に保つ制御手段を構成する。

図２の冷却管の動作を次に説明する。温度センサ２０１で検出された温度信号は、温度コントローラ２０２に入力され、温度コントローラ２０２により所定の設定値と等しくなるようにヒータ２０３が駆動されることにより、伝熱管１５の上端部の温度が、伝熱管１５内部の熱媒体の沸点以下凝固点以上に制御される。

すなわち、伝熱管１５の中に熱媒体が入っている状態で冷凍機１１をオンにし、寒冷発生部１３が凝固点以下になるとヒータ２０３をオンにして伝熱管１５の上端部の温度を上げ、熱媒体が固化しないようにする。逆に温度が上がりすぎた場合はヒータ２０３をオフにして温度を下げる。

例えば酸素（沸点：−１８３℃，凝固点：−２１９℃）を熱媒体とする場合、設定温度を−２００℃程度とすると伝熱管１５が動作し、冷凍機１１の寒冷発生部１３で冷やされた熱媒体が下部に伝達される。

このような構成の冷却管によれば、伝熱管１５上端部の熱媒体の温度を計測して、その温度に基づいて寒冷発生部１３上のヒータ２０３を駆動することにより、伝熱管１５内部の熱媒体を沸点以下凝固点以上に制御するので、熱媒体を固化させずに、寒冷露出部１８を目標温度に到達・維持することができる。したがって、熱媒体の凝固温度以下の冷凍機でも、冷却管を安定に動作させ、寒冷露出部１８を目標温度に到達・維持させることができる。

なお、上記各実施例で冷凍機をオフにした際に制御手段の動作を停止して、ヒートパイプからなる伝熱管１５がその熱伝達性を低下させて、寒冷の逆流を防ぐことができるようにしてもよい。

また、上記各実施例に示した冷却管は、脳磁計などの生体磁気計測用極低温クライオスタットのみならず、低温を保つために冷媒を必要とするクライオスタット、例えば超伝導マグネットを用いるＭＲＩ（核磁気共鳴画像診断装置）や物性研究用のヘリウムクライオスタットにも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る冷却菅の一実施例を示す接続構成図である。 本発明の実施の形態に係る冷却菅の第２の実施例を示す接続構成図である。 冷却管の従来例の基本構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１１ 冷凍機
１３ 寒冷発生部
１８ 寒冷露出部
２１ 伝熱管
２２ 真空容器
１０１，２０１ 検出手段
１０４ 熱媒体供給源
１０２，２０２ 制御手段
１０３，２０３ 操作端

Claims (4)

1. 筒状真空容器の上端部に取り付けられた極低温冷凍機の寒冷発生部が前記真空容器内に配置され、熱媒体が封入され前記真空容器の下端にて寒冷露出部を形成する伝熱管を介して外部に露出する冷却菅において、
   前記熱媒体の状態量を検出する検出手段と、
   前記状態量を変化させる操作端と、
   前記熱媒体の状態量が所定の設定値となるように前記操作端を駆動することにより、前記熱媒体を凝固点以上かつ沸点以下の状態に制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする冷却菅。
2. 前記検出手段は前記熱媒体の圧力を検出する圧力センサで構成され、
   前記操作端は前記伝熱管に配管接続された流量制御弁で構成され、
   前記制御部は、前記圧力センサから出力される検出信号が所定の設定値となるように、前記流量制御弁を駆動して、前記伝熱管への前記熱媒体の注入及び排出を制御する圧力コントローラで構成され、
   前記流量制御弁に前記熱媒体を供給する熱媒体供給源を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の冷却菅。
3. 前記検出手段は前記伝熱管の上端付近の前記熱媒体の温度を検出する温度センサで構成され、
   前記操作端は前記寒冷発生部を加熱する加熱手段で構成され、
   前記制御部は、前記温度センサから出力される検出信号が所定の設定値となるように前記加熱手段を駆動する温度コントローラで構成された
   ことを特徴とする請求項１記載の冷却菅。
4. 前記伝熱管としてヒートパイプを用いた
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷却菅。

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