JP2008538856A - クライオスタットアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】磁界発生アセンブリを含む使用空間を冷却するクライオスタットアセンブリを提供する。
【解決手段】クライオスタットアセンブリは、使用空間の外側に配置された第１の熱シールド（１）；及び第１の熱シールド（１）の外側に配置された第２の熱シールド（４）を含む。第１のクライオクーラー（６）は、Ｈｅ⁴で作動する少なくとも二つの冷却段を有し、第１のクライオクーラー（６）の第１の冷却段（８）が第２の熱シールド（４）に熱が伝わるように結合され、第１のクライオクーラー（６）の第２の冷却段（９）が第１の熱シールド（１）に熱が伝わるように結合される。第２のクライオクーラー（１０）は、Ｈｅ³で作動し且つ少なくとも一つの冷却段（１２）を有し、第２のクライオクーラーの冷却段よりも高温の第２のクライオクーラーの一部分が、第１のクライオクーラー（６）の第２の冷却段（９）に熱が伝わるように結合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、磁界発生アセンブリを含む使用空間を冷却するクライオスタットアセンブリに関する。

使用空間を２Ｋ以下程度の非常に低い温度まで冷却する必要がある多くのアプリケーションがある。これらは、典型的には、ＮＭＲ、ＭＲＩ、ＩＣＲ、ＦＴＩＣＲ、及びＤＮＰのようなアプリケーションでの高磁界超伝導マグネットの使用に関する。これは、マグネットが沈められる液体⁴Ｈｅの槽を用いて一般的に達成される。マグネット浴或いは容器は、⁴Ｈｅの超流動転移温度、或いはλ点、よりも少し高い、約２．２Ｋまで一般的に冷却される。

２．２Ｋは、二つの理由で好ましい作動温度である。⁴Ｈｅの比熱容量は、λ（ラムダ）点でピークに達するので、システムの温度安定性を向上させるために可能な限りλ点の近くで作動するのが望ましい。しかしながら、λ点以下で作動することは、望ましくないと一般的に考えられている。これは、液体の割合が、粘性のない超流体になるからであり、それは、重力に対抗しても、より高い温度のクライオスタットの領域の方に最小の亀裂或いは穴を通って流れ、かくしてかなりの熱漏れをもたらし、ボイルオフ（いわゆる“スーパーリーク”現象）を増す。

初期のサブクールシステムでは、液体Ｈｅを含んだマグネット収納容器をより低い圧力まで単にポンプで吸上げて、液体槽を徐々に蒸発させてマグネットを過冷する。この簡単な設計ではシステムを暖める必要があり、従って、浴が補充を必要とする場合、マグネットを遮断する。この主な費用及び不都合を回避するために、ラムダ（λ）点冷凍器がRoubeau、等によって発明された（“４．２Ｋ以下の温度での超伝導マグネットの作動”,Cryogenics, Feb 1972, pp.44-47, Biltcliffe, Hanley, McKinnon, Roubeau）。

残念ながら、λ冷凍器による方法は、望ましくない大量のヘリウムを利用する。

クライオクーラーは知られているが、いずれも実用的なシステムを約２Ｋの温度まで冷却することができない。

Jiabg、等による“１．３Ｋまで作動する³Ｈｅパルスチューブクーラー”,Cryogenics 44 (2004) 809-816は、その加温末端が単一段Ｈｅ⁴クライオクーラーのコールドプラットフォームに接続される、単一段Ｈｅ³クライオクーラーの設計を記述する実験報告である。このように、Ｈｅ⁴クライオクーラーは、Ｈｅ³クライオクーラーの冷却電力を支援する。これは、２．２Ｋで４２ｍＷの冷却電力を生成する。この構成及びそれが生成する冷却電力は、今のところ高磁界マグネットを冷却するためには十分ではないが、高出力Ｈｅ³コンプレッサを用いて冷却電力を増すことができる。しかしながら、これは、システムの作動及び資本コストをかなり増すであろう。

本発明の第１の態様によれば、クライオスタットアセンブリは、使用空間の外側に配置された第１の熱シールドと、第１の熱シールドの外側に配置された第２の熱シールドと、Ｈｅ⁴で作動する少なくとも二つの冷却段を有し、第１の冷却段が第２の熱シールドに熱が伝わるように結合され、第２の冷却段が第１の熱シールドに熱が伝わるように結合される、第１のクライオクーラーと、Ｈｅ³で作動し且つ少なくとも一つ、好適には唯一の冷却段を有する第２のクライオクーラーであって、この第２のクライオクーラーの冷却段よりも高温の第２のクライオクーラーの部分が第１のクライオクーラーの第２の冷却段に熱が伝わるように結合される。

マグネット及び他の構成部分を４Ｋ以下の可動温度に冷却するけれども、効率的且つ費用効果的な動作を達成する、実用的な方法が存在することを認識している。また、この新しい設計は、従来技術の４Ｋ以下の冷却システムのクライオスタット設計に容易に組み込まれ、大規模な再設計の必要性を減じ且つ係る費用を最小にする。特に、第１及び第２の熱シールドを冷却するためにＨｅ⁴クライオクーラーを設定し且つＨｅ⁴クライオクーラーの第２の段によって効果的に予冷される追加のＨｅ³クライオクーラーを設定する。Ｈｅ³は、高価な冷却液であり且つこれがＨｅ³クライオクーラーの大きさを最小にすることができ、可動費用を実用的レベルに保つけれどもマグネットのような物体を約１Ｋ以下の温度まで冷却するために必要な冷却電力をそれでも達成する。例えば、２０Ｔ以上の磁界を発生する高磁界マグネットのような、超伝導マグネットを冷却するために適する、２．２Ｋで２００ｍＷ程度の冷却電力を達成することができる。

好適な例では、第２のクライオクーラーは、単一段のクライオクーラーであるが、一段以上を有する第２のクライオクーラーを利用することが実現可能である。

第１のクライオクーラーは、典型的には、二つの冷却段だけを有するが、二段以上を有することもできる。例えば、ＮＭＲプローブのような、アセンブリが提供されるシステムの一つの部分を冷却するために第３の段を用いることができる。

第２のクライオクーラーの一つの部分は、その目的のために提供される熱リンクを介して第１のクライオクーラーの第２の冷却段に熱が伝わるように結合されてもよい。しかしながら、好ましくは、結合が第１の熱シールドを介して達成され、従って熱シールドが構造の複雑さを減ずる。

好ましくは、第２のクライオクーラーへの第１のクライオクーラーによって提供される支援を増すために、一部分よりも高温の第２のクライオクーラーの別の部分が第１のクライオクーラーの第１の冷却段に結合される。この場合もやはり、個別の熱リンクを介して、或いは、好ましくは第２の熱シールドを介して、これを達成することができる。

第２のクライオクーラーの冷却段の場所及び機能は、アプリケーションによる。かくして、クライオスタットアセンブリは、第２のクライオクーラーの冷却段が液体ヘリウム含有容器内に配置される再凝縮システムで用いることができ、気化した液体ヘリウムを再凝縮して液体ヘリウムの中に沈められた超伝導マグネットのような品目を冷却する。変形例として、アセンブリは、凍結剤未使用のクライオスタットで用いることができる。この場合には、例えば、冷却される物体は、真空中に配置され且つ伝導によって冷却される。

本発明の更なる利点は、第２のクライオクーラーを単に追加し且つ適当に連結することによって新しい冷却システムを導入するために既存のクライオスタット設計を容易に変更することができることである。

本発明の第２の態様によれば、磁界発生アセンブリは、超伝導マグネットと、マグネットをその作動温度まで冷却するように超伝導マグネットがその内部に配置される使用空間を有するクライオスタットと、を含み、クライオスタットは、使用空間の外側に配置された第１の熱シールドと、この第１の熱シールドの外側に配置された第２の熱シールドと、Ｈｅ⁴で作動する第１の単一冷却段のクライオクーラーであって、この単一冷却段が第２の熱シールドに熱が伝わるように結合されている、第１の単一冷却段のクライオクーラーと、Ｈｅ³で作動する第２の単一冷却段のクライオクーラーであって、第１の熱シールドに熱が伝わるように結合され且つより高温の部分が第１のクライオクーラーの単一冷却段に熱が伝わるように結合される、第２の単一冷却段のクライオクーラーと、を含む。

本発明のこの態様は、高磁界マグネット（例えば＞２０Ｔ）を約２Ｋに冷却するための実用的なシステムを提供する。

本発明によるクライオスタットアセンブリのアプリケーションは、ＭＲＩ、ＮＭＲ、ＩＣＲ、ＦＴＩＣＲ、及びＤＮＰを含む。

本発明によるクライオスタットアセンブリの実施形態を、添付図面を参照していま説明する。

図１に示すクライオスタットアセンブリは、液体Ｈｅ⁴収容容器２を取り囲む第１の熱シールド１を含む。超伝導マグネット２０が容器２に配置される。後述する他のシールドと一緒にこれらの構成部品は、室温で中央孔３のまわりに配置され、内側には検査されるべきサンプルが使用時に配置される。

第２の熱シールド４が第１の熱シールド１を取り囲み且つ構成部品が全て外側真空チャンバ５の内側に配置される。

第１のクライオクーラー６が外側真空チャンバ５の第１のタレット７に取付けられていて、第２の熱シールド４に熱が伝わるように結合された第１の冷却段８と、及び第１の熱シールド１に熱が伝わるように結合された第２の冷却段９とを含む。

クライオクーラー６は、在来の構造であり且つＨｅ⁴を利用するパルスチューブ冷凍器或いはジフォード−マクマホン冷凍器を含むことがある。クライオクーラー６は、室温で作動するＨｅ⁴コンプレッサ（図示せず）によって動力を得る。

動作を説明すると、クライオクーラー６の第１の冷却段８は、第２のシールド４を約５０Ｋの温度に維持しながら、第２の冷却段９は、第１の熱シールド１を約５Ｋに維持する。

第２の、単一段Ｈｅ³クライオクーラー１０が、外側真空チャンバ５の第２のタレット１１に取付けられる。このクライオクーラー１０は、内部容器２の内側に配置された単一冷却段１２を有する。単一冷却段１２よりも高温のクライオクーラー１０の第１の部分１３が、第１の熱シールド１に熱が伝わるように結合されながら、第１の部分よりも高温の第２の部分１４が、第２の熱シールド４に熱が伝わるように結合される。第１の部分１３、第２の部分１４へのリンクを、銅輪、等によって供給することがある。クライオクーラー１０は、室温で作動するＨｅ³コンプレッサ（図示せず）によって動力を得る。

動作を説明すると、二段クライオクーラー６は、その第２の冷却段９で４．２Ｋで約１Ｗの冷却電力、及びその第１の冷却段８で４５〜５０Ｋの温度で約４０Ｗの冷却電力をもたらす。次いで、第２の冷却段９は、クライオクーラー１０を、クライオクーラー１０の部分１３への熱リンクを介してプレクールするために用いられる。追加のプレクーリングが、クライオクーラー６の第１の冷却段８とクライオクーラー１０の第２の部分１４との間で熱が伝わるような結合によって達成される。更に、勿論、クライオクーラー６の第１の冷却段８と第２の冷却段９は、第２の熱シールド４と第１の熱シールド１をそれぞれ冷却する。結果は、クライオクーラー１０の冷却段が容器２の内側に約２．２Ｋでヘリウムを凝縮する。

これは、４Ｋ以下の温度に対して先に記述した従来技術の冷却システムで必要である真空ポンプ、熱交換器、及び膨張弁のような構成部品の必要性を除去する。これは、クライオスタットアセンブリの設計を簡単にして、更に費用を減らす。

Ｈｅ⁴ＰＴＲ６は真空の中にありながら、凝縮Ｈｅ³ＰＴＲ１０は気体の中にある。

図２に示す実施形態では、クライオスタットの基本的な設計は、図１に示すものに同じであり再説明を行わない。図１に示されたものと同一符号を付した構成要素は、同じ構造及び機能を有する。

二つの実施形態の主な違いは、単一段Ｈｅ⁴クライオクーラー６０がクライオクーラー６の代わりに用いられるだけであり、クライオクーラー６０は、Ｈｅ⁴の使用にまだ基づいている。これは、十分な冷却電力を第２のＨｅ³クライオクーラー１０の冷却段１２にもたらしてマグネット１２をその超伝導状態に維持することができるであろう。強力なコンプレッサがＨｅ³クライオクーラー１０及びＨｅ⁴クライオクーラー６０の両方に用いられるならば、十分に高い冷却電力を達成されるので、小さなマグネットを冷却することができる。

本発明の第１の実施形態の超伝導マグネットを冷却するクライオスタットアセンブリの概略断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す図１に類似する図である。

符号の説明

１ 第１の熱シールド
２ 液体Ｈｅ⁴含有容器
３ 中央孔
４ 第２の熱シールド
５ 外側真空チャンバ
６ クライオクーラー
７ 第１のタレット
８ 第１の冷却段
９ 第２の冷却段
１０ 単一段Ｈｅ³クライオクーラー
１１ 第２のタレット
１２ 単一冷却段
１３ 第１の部分
１４ 第２の部分
２０ 超伝導マグネット

Claims (14)

1. 使用空間の外側に配置された第１の熱シールドと、
   この第１の熱シールドの外側に配置された第２の熱シールドと、
   Ｈｅ⁴で作動する少なくとも二つの冷却段である第１の冷却段と第２の冷却段を備えた第１のクライオクーラーであって、上記第１の冷却段が上記第２の熱シールドに熱が伝わるように結合され、上記第２の冷却段が上記第１の熱シールドに熱が伝わるように結合された上記第１のクライオクーラーと、
   Ｈｅ³で作動し且つ少なくとも一つの冷却段を有する第２のクライオクーラーであって、この第２のクライオクーラーの冷却段よりも高温の上記第２のクライオクーラーの一部分が上記第１のクライオクーラーの上記第２の冷却段に熱が伝わるように結合された上記第２のオイルクーラーと、
   を有することを特徴とするクライオスタットアセンブリ。
2. 上記第２のクライオクーラーの上記一部分は、上記第１の熱シールドを介して上記第１のクライオクーラーの上記第２の冷却段に熱が伝わるように結合されている請求項１に記載のクライオスタットアセンブリ。
3. 上記一部分よりも高温の上記第２のクライオクーラーの別の部分が、上記第１のクライオクーラーの上記第１の冷却段と結合されている請求項１又は請求項２に記載のクライオスタットアセンブリ。
4. 上記第２のクライオクーラーの上記別の部分は、上記第２の熱シールドを介して上記第１のクライオクーラーの上記第１の冷却段に結合されている請求項３に記載のクライオスタットアセンブリ。
5. 上記第１及び第２のクライオクーラーの一方又は両方は、パルスチューブ冷凍機又はジフォード−マクマホン冷凍機を備えている請求項１乃至４の何れか１項に記載のクライオスタットアセンブリ。
6. 更に、上記使用空間に配置された超伝導マグネットを有する請求項１乃至５の何れか１項に記載のクライオスタットアセンブリ。
7. 超伝導マグネットと、
   この超伝導マグネットをその作動温度まで冷却するように上記超伝導マグネットがその内部に配置される使用空間を有するクライオスタットと、を有し、
   上記クライオスタットは、
   上記使用空間の外側に配置された第１の熱シールドと、
   この第１の熱シールドの外側に配置された第２の熱シールドと、
   Ｈｅ⁴で作動する第１の単一冷却段のクライオクーラーであって、この単一冷却段が上記第２の熱シールドに熱が伝わるように結合されている上記第１の単一冷却段のクライオクーラーと、
   Ｈｅ³で作動する第２の単一冷却段のクライオクーラーであって、上記第１の熱シールドに熱が伝わるように結合され且つより高温の部分が上記第１のクライオクーラーの上記単一冷却段に熱的に結合される上記第２の単一冷却段のクライオクーラーと、
   を有することを特徴とする磁界発生アセンブリ。
8. 上記第２のクライオクーラーの上記より高温の部分は、上記第２の熱シールドを介して上記第１のクライオクーラーの上記冷却段に熱が伝わるように結合されている請求項７に記載の磁界発生アセンブリ。
9. 上記使用空間は、４．２Ｋ以上には冷却されない請求項７又は請求項に記載の磁界発生アセンブリ。
10. 上記使用空間は、約２Ｋに冷却される請求項９に記載の磁界発生アセンブリ。
11. 上記第１の熱シールドは、ほぼ５Ｋに冷却される請求項７乃至１０の何れか１項に記載の磁界発生アセンブリ。
12. 上記第２の熱シールドは、ほぼ５０Ｋに冷却される請求項７乃至１１の何れか１項に記載の磁界発生アセンブリ。
13. 上記第２のクライオクーラーの上記冷却段は、上記使用空間が配置される冷却液収納容器に配置される請求項７乃至１２の何れか１項に記載の磁界発生アセンブリ。
14. 上記冷却液収納容器の上記冷却液はヘリウムを含む請求項１３に記載の磁界発生アセンブリ。

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