JP4519363B2

JP4519363B2 - 極低温格納容器及びそれを用いた生体磁気計測装置

Info

Publication number: JP4519363B2
Application number: JP2001145743A
Authority: JP
Inventors: 弘之田中; 典英佐保
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: JP2002344037A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な極低温格納容器及びそれを用いた生体磁気計測装置に係り、特に液体ヘリウム等の冷媒を用いて磁束計を冷却する微弱磁場計測用断熱容器に係り、液体ヘリウム等の冷媒の消費量を低減し、運転コストを低減する断熱容器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体から発生する磁気を計測する生体磁気計測装置においては、極めて小さな磁気を計測するために、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device：超電導量子干渉素子）を利用した高感度磁束センサが使用されている。このＳＱＵＩＤは超電導を利用しているため、ＳＱＵＩＤ磁束センサを超電導臨界温度以下に冷却する必要があり、これまで一般に用いられているＮｂ系超電導体を利用したＳＱＵＩＤ磁束センサを使用する場合には沸点が４．２Ｋである液体ヘリウムを用いて冷却している。この液体ヘリウムは蒸発潜熱が極めて小さく、わずかな熱侵入により液体ヘリウムが蒸発するため定期的な補給が必要となり、生体磁気計測装置のランニングコストが高騰するだけでなく、メンテナンス性においても重大な問題となっていた。
【０００３】
液体ヘリウムの蒸発量を低減するには、高レベルの断熱技術が必要とされ、生体磁気計測装置においてセンサを格納し、液体ヘリウムを貯蔵する容器には、デュワーあるいはクライオスタットと呼ばれる極低温格納容器が用いられている。特に生体磁気計測装置においては、容器自体から磁気が発生することを抑制する必要があることや、低熱伝導率、低温での十分な強度が必要であることから、これらの問題をクリアするガラス繊維強化プラスチックが使用されている。
【０００４】
図１は、従来の生体磁気計測装置におけるクライオスタットの構造を示す断面図である。クライオスタットは、底部にＳＱＵＩＤ磁束センサ３が配置可能であり、液体ヘリウム２を貯蔵するための内容器１と、内容器１との間に真空槽５を形成する外容器４と、真空槽５内に設置される輻射シールド６と、内容器１の開口部に挿入される断熱材７と開口部を塞ぐための蓋（上部フランジ）１２により構成される。
【０００５】
デュワー内への熱侵入は、内容器１の壁からの熱伝導成分と周囲からの輻射成分の総和であることから、各成分を低減する断熱技術が使用されている。熱伝導成分を低減するために、熱伝導面積を小さく抑制するだけでなく、蒸発するヘリウムガスの顕熱を利用した熱交換を行っている。また、輻射成分を低減するために、内容器１と外容器４との間の真空槽５中には輻射シールド６を設置している。また、輻射シールド６と外容器４の間の真空槽５中には、ポリエステル薄膜の表面にアルミを蒸着したマイラと呼ばれるものと、表面に凹凸があり両面にアルミを蒸着したエンボスと呼ばれるものとを交互に何層も重ねた積層断熱材１０を設置している。
【０００６】
輻射熱流束は、積層断熱材１０の積層枚数及び各薄膜の隙間（積層間隔）に依存することが知られており、積層枚数が多い程、積層間隔が広いほど輻射熱流束が小さくなることが明らかになっている。
【０００７】
この積層断熱材１０は、極低温が必要な分野、例えば超電導を利用する場合には必要不可欠な技術であり、例えばＭＲＩでは、超電導マグネットの周囲を囲む輻射シールドの周囲に積層断熱材を多層巻き付ける事によって超電導マグネットに加わる輻射熱量を低減化している。ここでＭＲＩの場合には、マグネットはリング状であり、リングの中心部に磁場が発生する構造であるため、マグネットと容器外壁との距離は感度に影響しない。したがって、マグネットの周囲には積層断熱材を多層設置可能なスペースが確保できることから、積層断熱材の巻き方自体は問題にならなかった。
【０００８】
また、超電導マグネットの場合には、主に水平軸を中心軸とするようにリングが設置されることから、そのリングの周囲に設置される輻射シールドも水平軸が中心軸となるため、輻射シールドに巻かれる積層断熱材は輻射シールドによって鉛直方向に支えられる構造となり、積層断熱材の落下が問題になることはなかった。
【０００９】
一方、生体磁気計測装置においては、内容器１の底部に配置されるセンサと被検査物との距離がセンサ感度に大きく依存するため、底部における内容器１底部と外容器４底部の間に存在する真空槽５の厚さは狭くなっており、この底部に積層断熱材１０を多層設置することが困難である。したがって、底部からの熱侵入の影響が大きくなっており、この底面からの熱侵入の低減が必要とされている。
【００１０】
また、生体磁気計測装置では側面部に積層断熱材１０を巻くため、積層断熱材１０自体は鉛直方向に自由に動く事が可能であり、例えば輸送時の振動によって積層断熱材１０が外容器４の底部に落下することが考えられる。積層断熱材１０が外容器４の底部に落下すると、室温である外容器４と積層断熱材１０が接触することになり、この積層断熱材１０が外容器４と同じ温度となるため、積層断熱材１０の断熱能力が劣化する。特に底面においては、わずか数枚しか積層断熱材１０を設置できないため、その断熱性能の劣化の影響が大きく、底部からの侵入熱量が増加し、内容器１内に貯蔵した液体ヘリウム２の消費量が増大する。
【００１１】
これまで開発された生体磁気計測装置においては、液体ヘリウムの消費量が１日あたり１０Ｌ程度と非常に大きいことから、この底面からの侵入熱量自体が大きな問題となることはなかった。しかし、今後液体ヘリウム消費量の低減化を進めていくと、最終的にはこの底部の積層断熱材が外容器に接触するか否かが液体ヘリウムの消費量に影響すると考えられ、液体ヘリウムの低消費量化を進める上で重要な課題となる。
【００１２】
特開平３−２１８０７９号公報には、輻射シールド、液体窒素タンクを支持する支持部材として特定の材質を用いること、特表平７−５０７８７８号公報には、液体窒素容器を真空容器の上方カラケブラーロッドで支持する構造が示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の生体磁気計測装置では、格納容器、特に内容器への侵入熱量の低減が大きな問題である。内容器への侵入熱量により、内容器内部に貯蔵した冷媒が蒸発するため、頻繁に冷媒を補充する必要性が生じ、ランニングコストが高騰するだけでなく、メンテナンス性にも問題があった。
【００１４】
特に生体磁気計測装置においては、底面における真空槽が極めて薄い構造であるため、底部における断熱を確実にすることが全侵入熱量の低減に直結している。本発明は底部における断熱性能を安定化するためには、積層断熱材が外容器と接触しない構造を有する必要があることから生まれたものである。
【００１５】
前記従来技術等を見ても、積層断熱材は通常数層から数十層設置することを前提として記述されており、わずか１層や２層程度の断熱材しか設置できない構造について言及されているものはない。液体ヘリウムの消費量を低減化した生体磁気計測装置においては、この１層や２層程度の断熱材が外容器に接するか否かが冷媒の消費量に与える影響は大きく、格納容器の性能を安定化させるためには積層断熱材が外容器に接触しない構造を有する必要がある。
【００１６】
積層断熱材の鉛直方向へのずれを抑制するために、例えば容器側に突起を設け、この突起で積層断熱材を支える方法が考えられるが、積層断熱材は多層構造であるため内側の数層は突起の影響を受ける事が可能であるが、外側の積層断熱材はこの突起の影響を受けないために外側の断熱材は鉛直方向へ平行移動する事が可能である。
【００１７】
また、例えば積層断熱材を強く巻き付ける事によって摩擦力を大きくし、積層断熱材の落下を防止する方法も考えられるが、積層断熱材の能力が各薄膜の積層間隔に依存するため、容器に強く巻き付ける事によって積層断熱材の積層間隔は狭くなり、結果として断熱性能が劣化する。
【００１８】
また、積層断熱材を袋状にして輻射シールドのフランジ面で積層断熱材を支える方法が考えられるが、積層断熱材の自重を支える形になるために一部の断熱材が破断した場合には積層断熱材が落下し、やはり底面における断熱性能を劣化する。
【００１９】
また、前述のいずれの公報にも真空槽内の断熱材を直接支持する構造は示されていない。
【００２０】
本発明の目的は、積層断熱材が外容器に接触しない構造を有し、且つ積層断熱材の落下を防止し、断熱性能の劣化を防止する極低温格納容器及びそれを用いた生体磁気計測装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に冷媒を貯蔵し被冷却物を格納する内容器と、
該内容器が内部に配置され、該内容器の上部と接続した外容器と、
前記内容器と外容器との間に配置され、少なくとも前記内容器の底部及び側面部を覆うように配置された輻射シールドと、
該輻射シールドの底部及び側面部に配置された断熱手段と、
を有する極低温格納容器において、
前記輻射シールドの底部に配置された前記断熱手段と前記外容器との間に前記断熱手段を支える第１の支持体を配置し、
該第１の支持体を支持し、前記外容器の上部と接続された第２の支持体を備えたことを特徴とする極低温格納容器にあり、好ましくは支持糸又は支持棒からなる第２の支持体で支え、前記断熱手段を下方より支える構造を有することを特徴とする。
【００２２】
又、本発明は、前述の極低温格納容器において、前記内容器から前記外容器に連通し前記内容器の上部に前記内容器より細径に形成されたネック部と、該ネック部内に充填される第２の断熱手段とを有することを特徴とするものである。
【００２３】
また、前記第１の支持体及び第２の支持体の少なくとも一方が非磁性材料で構成され、第２の支持体が支持糸又は支持棒であることが好ましい。
【００２４】
更に、本発明は、前記被冷却物として前記内容器の底部に配置された超電導量子干渉素子であり、超電導量子干渉素子を格納し冷却する極低温格納容器が前述の極低温格納容器から成ることを特徴とする生体磁気計測装置にある。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図２は本発明における生体磁気計測装置の断面図である。内容器１は底部にＳＱＵＩＤ磁束センサ３を格納するための面積を有し、内部には液体ヘリウム２を貯蔵できる構造である。また、内容器１と結合し、開口部の大きさが内容器１の底面の大きさよりも小さなネック部１１を有する狭首型構造を採用することによって、開口した室温端から液体ヘリウム温度を結ぶ部分の熱伝導面積を減少し、開口部上端からの熱伝導成分の低減化を行っている。ここで、内容器１の底面の大きさよりも小さなネック部１１は、内容器１の径よりも小さな径を持つ容器である。さらに、ネック部１１の壁の厚さを強度的に十分な信頼性が保証できる範囲で可能な限り薄くすることにより熱伝導成分の低減化を行っている。
【００２６】
ネック部１１の内側には、熱伝導率が小さい発泡ポリウレタンで構成された第２の断熱手段である断熱材７を積層することにより、室温である上面からの熱伝導による侵入熱量を低減している。発泡ポリウレタン製の断熱材７は複数個重ねて積層され、各断熱材７の間には温度を均一化させるため熱伝導率の高い材料を配置しており、本実施例ではアルミニウム製の薄板を使用している。発泡ポリウレタン内部に存在する気泡は、極低温状態では液化するため真空断熱の役割を果たし、極低温域で高い断熱性能を有する。
【００２７】
外容器４は内容器１との間に真空槽５を形成するために、図示しない真空排気口を有する。ここで真空排気口をネック部１１の側面位置に配置することにより、真空排気時に真空排気口から断熱材を吸い込む事を防止している。
【００２８】
内容器１、ネック部１１、外容器４は熱伝導率が小さく且つ極低温域での高い強度を有するガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）製であり、高分子接着剤を用いて形成するか、一体形成で製作されている。ネック部１１の内側に挿入される断熱材７の外径はネック部１１の内径よりも小さくなっており、蒸発したヘリウムガスは断熱材７とネック部１１の隙間を流れる構造になっている。また、検出信号を取り出すケーブルもこの隙間を利用して取り出す。蒸発したヘリウムガスは断熱材７とネック部１１の隙間を流れ、上部フランジ取り付けられた図示しないガス抜きポートより大気中に放出されるが、この時断熱材７とネック部１１との間で熱交換を行うことにより、ネック部１１を伝わる熱伝導成分の低減に寄与している。
【００２９】
内容器１の真空側の表面と輻射シールド６の表面には、表面にアルミニウムが蒸着されたテープを全面にわたって貼り付けており、輻射面の放射率を小さくすることによって、内容器１が輻射シールド６から受ける輻射熱量と、輻射シールド６が外容器４から受ける輻射熱量それぞれを低減している。
【００３０】
輻射シールド６と外容器４の間の真空槽５には積層断熱材１０を施しており、輻射熱量の低減を図っている。ここで、輻射シールド６と外容器４の隙間は、側面では１０ｍｍ程度確保できるが、底部では非検査物とＳＱＵＩＤ磁束センサ３との距離を近づける必要があることから、２ｍｍ程度しか真空槽５の厚さを取る事ができない。
【００３１】
積層断熱材１０は輻射シールド６と外容器４の間の側面に巻き付ける形で施している。また輻射シールド６と内容器１とを結合するフランジ面１３の上にも施している。輻射シールド６の底面と外容器４の間には、積層断熱材を１層（エンボスと片面アルミ蒸着マイラを各１枚ずつ）設置している。
【００３２】
輻射シールド６の底面における積層断熱材１０の最外層と外容器４との間に、厚さ０．５ｍｍの第１の支持体である支持板８を設置している。ここで支持板８の両面には、表面にアルミニウムを蒸着したテープを貼りつけており、支持板８が受ける輻射熱量を低減している。支持板８はＳＵＱＩＤ磁束センサ３と非検査物の間に装着されるため、非磁性である必要があり、ＧＦＲＰを使用している。この支持板８を、支持板８より上面にあり、且つ真空槽側に一端を固定した支持糸もしくは支持棒９により吊下げ、積層断熱材１０を底部から支える構造となっている。そして、支持板８は第２の支持体である支持糸もしくは支持棒９により吊下げられ、外容器４に接しないように浮いた構造を有している。従って、高い断熱性が得られる。
【００３３】
又、支持糸もしくは支持棒９は外容器４の上方又は上面に吊り下げられて設けられ、その内容器１側に積層断熱材１０が設けられ、支持糸もしくは支持棒９によって積層断熱材１０が押さえられるので、積層断熱材１０が外容器４に接することがなく高い断熱性が得られる。
【００３４】
内容器１に液体ヘリウム２を注入すると、内容器１は熱収縮により縮むが、上面から吊下げられた形状である内容器１は、固定端である上面に向かって縮むため、内容器１に固定された輻射シールド６および積層断熱材１０自体が上方に移動する事になる。一方で、積層断熱材１０を支えている支持板８自体は熱収縮の影響を受けないため、積層断熱材１０と支持板８との間には間隙が生じることとなり、断熱性能が向上する。
【００３５】
積層断熱材１０は輻射シールド６の側面に巻かれており、支持板８が受ける荷重は支持板８の縁側に作用するため、支持板８に厚さ０．５ｍｍ程度の薄い材料を用いても十分に積層断熱材１０の荷重を支える事が可能である。
【００３６】
実験により積層断熱材が落下して積層断熱材の底面が外容器に接触した場合には、積層断熱材の底面が外容器に接触していない場合に比べて液体ヘリウム消費量が約０．４Ｌ／日増大することを確認しており、本構造を用いることによって積層断熱材の落下による液体ヘリウム消費量の増大を防止することが可能となる。
【００３７】
（実施例２）
図３は、本発明の他の実施例を示す生体磁気計測装置の断面図である。この実施例は、支持糸もしくは支持棒９を外容器４の側面に設けた突起部１４に固定した事に特徴がある。支持糸もしくは支持棒９は支持板８よりも上方にあれば積層断熱材１０の重量を支える事が可能であるが、支持板１０と固定端の距離が近い場合には、支持糸もしくは支持棒９を伝わる熱伝導による侵入熱量が問題となる。したがって、外容器４に設ける突起部１４は、支持板８から離れた位置に設置することが望ましい。他の構造は実施例１と同様である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、積層断熱材の落下が防止でき、生体磁気計測装置における断熱性能が安定するとともに、液体ヘリウムの消費量を低減でき、安定度の高い生体磁気計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の生体磁気計測装置におけるクライオスタットの断面図。
【図２】本発明の実施例１におけるクライオスタットの断面図。
【図３】本発明の実施例２におけるクライオスタットの断面図。
【符号の説明】
１…内容器、２…液体ヘリウム、３…ＳＱＵＩＤ磁束センサ、４…外容器、５…真空槽、６…輻射シールド、７…断熱材、８…支持板、９…支持糸あるいは支持棒、１０…積層断熱材、１１…ネック部、１２…蓋、１３…輻射シールドフランジ。

Claims

内部に冷媒を貯蔵し被冷却物を格納する内容器と、
該内容器が内部に配置され、該内容器の上部と接続した外容器と、
前記内容器と外容器との間に配置され、少なくとも前記内容器の底部及び側面部を覆うように配置された輻射シールドと、
該輻射シールドの底部及び側面部に配置された断熱手段と、
を有する極低温格納容器において、
前記輻射シールドの底部に配置された前記断熱手段と外容器との間に前記断熱手段を支える第１の支持体を配置し、
該第１の支持体を支持し、前記外容器の上部と接続された第２の支持体を備えたことを特徴とする極低温格納容器。
請求項１において、
前記内容器は、該内容器より細径に形成されたネック部により前記外容器と接続され、該ネック部の内部に第２の断熱手段を備えたことを特徴とする極低温格納容器。
請求項１において、
前記第１の支持体及び第２の支持体の少なくとも一方が、非磁性材料により構成されていることを特徴とする極低温格納容器。
内部に冷媒を貯蔵し被冷却物を格納する内容器と、
該内容器が内部に配置され、該内容器の上部と接続した外容器と、
前記内容器と外容器との間に配置され、少なくとも前記内容器の底部及び側面部を覆うように配置された輻射シールドと、
該輻射シールドの底部及び側面部に配置された断熱手段と、
前記内容器の底部に配置された超電導量子干渉素子と、
を有する生体磁気計測装置において、
前記輻射シールドの底部に配置された前記断熱手段と外容器との間に前記断熱手段を支える第１の支持体を配置し、
該第１の支持体を支持し、前記外容器の上部と接続された第２の支持体を備えたことを特徴とする生体磁気計測装置。
）
請求項４において、
前記内容器は、該内容器より細径に形成されたネック部により前記外容器と接続され、前記ネック部の内部に第２の断熱手段を備えたことを特徴とする生体磁気計測装置。
請求項４において、
前記第１の支持体及び第２の支持体の少なくとも一方が、非磁性材料で構成されていることを特徴とする生体磁気計測装置。