JP4854396B2 - 低温冷凍機を備えたクライオスタット構造 - Google Patents

低温冷凍機を備えたクライオスタット構造 Download PDF

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Description

本発明は、少なくとも一つの低温容器に低温流体を保持するクライオスタット構造であって、外側シェル及び低温冷凍機のコールドヘッドが設置されるネックチューブを備え、低温冷凍機のコールドヘッドの少なくとも最冷冷却ステージが、ネックチューブと低温容器に接触しないように配置され、低温流体がネックチューブに収容されているクライオスタット構造に関する。
このタイプのクライオスタット構造は特許文献１に開示されている。
液体冷媒を保持するクライオスタット構造、例えば核磁気共鳴（ＮＭＲ）測定装置で用いられるクライオスタット構造では、超伝導コイル・システムは液体冷媒、通常は液体ヘリウムを収容している第一の容器内に配置され、そのまわりを放射シールド、超断熱ホイル、及びオプションとして冷媒液体、通常は液体窒素を収容する別の容器が囲んでいる。液体容器、放射シールド及び超断熱ホイルは、真空チャンバ（外側シェル、外側真空カバー）を画定する外側容器に収められている。超伝導磁石は、まわりの蒸発するヘリウムによって一定の温度に保たれる。第一の低温容器を囲む要素は、その容器を熱的に絶縁して容器への熱入力を最小にし、ヘリウムの蒸発速度を最小にする。
高分解能ＮＭＲ分光のための磁石システムは、通常、いわゆる垂直システムであり、コイル構造軸及びＮＭＲサンプルを受け入れるための開口が垂直方向に伸びている。ＮＭＲ分光計のヘリウム容器は通常、少なくとも二つの薄肉懸吊チューブ介して外側真空カバーに結合される。これにより容器は機械的に固定され、懸吊チューブは、例えば冷却や充填のために、必要に応じて、磁石にアクセスする。さらに、廃ガスが懸吊チューブを介して排出され、それによって懸吊チューブを冷却し、理想的な場合にはチューブ壁を介して熱入力を完全に相殺する。このタイプのシステムは、例えば、特許文献２及び非特許文献１に記載されている。
しかし、冷媒の取り扱いは難しい。冷媒は、所定の時間間隔で再充填しなければならないが、これにより測定の際、しばしば望ましくない中断が必要となる。液体冷媒への依存も、例えば発展途上国（インド、中国、等）におけるように、インフラが不十分な場合、問題となる。将来の冷媒価格の上昇によりこのような冷却は高価なものになるであろう。
機械的な冷却装置、いわゆる低温冷凍機、が超伝導磁石システムを直接冷却するために最近広く用いられるようになっている。低温流体なしの冷却（いわゆるドライ冷却）の他に、少なくとも一つの別の低温流体を収容する従来システムがあるが、この冷媒は蒸発後に低温冷凍機によって再液化される。このため、低温流体は全く又はほとんど全く外部に逃げ出さない。特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１、及び特許文献１２は、低温冷凍機を用いて冷媒の損失なしに超伝導磁石システムを冷却するこのような可能性を記載している。
例えば、コールドヘッドの第一のコールドステージが放射シールドに取り付けられ、第二のコールドステージが、直接に又は固定の熱橋を介して間接的に、低温冷凍機に熱伝導可能に結合されるように、低温冷凍機の二段コールドヘッドを別の真空スペースに（例えば、特許文献９に記載されているように）又はクライオスタットの真空スペースに直接（例えば、特許文献８に記載されているように）設置してもよい。低温容器への全体的な入熱は、外部からの入熱によって蒸発したヘリウムの低温冷凍機の低温接触表面での再凝縮によって相殺され、システムの無損失運転が可能になる。欠点として、第二のコールドステージと低温容器の間の結合に熱抵抗があり、“柔らかい”熱伝達要素（例えば、編み線）を用いても、低温冷凍機の振動が低温容器と磁石に伝わる可能性がある。高分解能ＮＭＲシステムでは、小さな擾乱であっても問題になり、有意義な測定が妨げられることがある。
これらの欠点を回避する一つの方法は、例えば特許文献１に記載されているように、クライオスタットの外側真空スリーブを低温容器に結合し、同様にヘリウム・ガス、すなわち気体状態にある低温流体が満たされているネックチューブにコールドヘッドを挿入することである。二段コールドヘッドの第一のコールドステージは、放射シールドと伝導可能に固定されている。第二のコールドステージはヘリウム雰囲気中で自由に懸吊され、蒸発したヘリウムを直接液化する。低温冷凍機の冷却性能は低温容器への入熱よりも大きいので、付加的な加熱手段が定常状態を実現するのに十分な量のヘリウムを蒸発させる。加熱手段用の制御変数は、例えば低温容器内の圧力であってもよい。
しかし、このタイプのシステムは、ネックチューブの底部がヘリウム容器内に開いているという欠点がある。低温冷凍機を点検するためには、ネックチューブの底部を特別なデバイスによって閉じて技術者が磁石のクエンチが起きた場合に負傷しないようにするか、又は磁石を放電させなければならないが、これは磁石システムにとって望ましくない停止時間となる。さらに、非対称な開口はまた、通常の運転のときにヘリウム容器に非対称な力を及ぼすので、特別なセンタリング要素によってそれを相殺しなければならない。クエンチの場合、懸吊チューブにかかる力は増加し、低温冷凍機にも全クエンチ圧力がかかる。このため、コールドヘッドは外側シェルに相対的に堅固に結合しなければならないが、これはコールドヘッドと外側シェルの間での振動の減衰に不利な影響を及ぼす。ネックチューブが比較的大きな壁厚を有する場合もあるが、これはネックチューブの入熱が大きくなることにつながる。磁石がクエンチしたとき、ネックチューブとネックチューブ設備は増加したクエンチ圧力を受けるので、これらのクライオスタットの構成要素には、当局によって課せられるより厳しいガイドラインの適用もしばしばあり、それがさらに、新たな仕事（例えば、これらの構成要素のトレーサビリティーの立証）とコストの増加を生む。
米国特許出願公開第２００２−０００２８３０号明細書 独国特許出願公開第２９０６０６０号明細書 "超伝導ＮＭＲ磁石デザイン"（Concepts in Magnetic Resonance, 1993, 6, 255-273） 欧州特許出願公開第０９０５４３６号明細書 欧州特許出願公開第０９０５５２４号明細書 国際公開第０３−０３６２０７号パンフレット 国際公開第０３−０３６１９０号パンフレット 米国特許第５９６６９４４号明細書 米国特許第５５６３５６６号明細書 米国特許第５６１３３６７号明細書 米国特許第５７８２０９５号明細書 米国特許第５９１８４７０号明細書 米国特許出願公開第２００３−０２３００８９号明細書
したがって、本発明の目的は、単純な構成の低温冷凍機を完備するクライオスタット構造であって、冷凍機のコールドヘッドとクライオスタット構造の間の熱伝達が効率的であり、ほとんど振動がなく、運転中だけでなく、特に保守作業においても同様に、大きな安全性が得られるクライオスタット構造を提供することにある。
この目的は、本発明にしたがって、ネックチューブがクライオスタット構造の外側シェルと少なくとも一つの低温容器及び／又は放射シールドとの間に配置され、そのネックチューブが低温容器及び／又は放射シールドに面する端において気密に閉じられ、熱伝導性に優れたコネクションを介して低温容器の一つ及び／又は低温容器の間に又は低温容器と外側シェルの間に配置された放射シールドと結合され、ネックチューブがその周囲温度端に低温流体をネックチューブに充填するための充填デバイスを備えることを特徴とするクライオスタット構造によって達成される。
この比較的単純な構成は、低温冷凍機なしのクライオスタット構造と比べて全く又はほとんど全く追加費用を必要とせず、特に磁石のクエンチが発生した場合に余分な機械的負荷を導入するための追加費用、及び当局によって課せられる高い安全性の要求・要望を満たすための追加費用を必要としない。
冷却に用いられる低温冷凍機のコールドヘッドを収容するネックチューブは低温冷凍機から気密に分離され、その結果、ネックチューブは自らの冷媒雰囲気下にある。低温冷凍機のまわりの冷媒領域は、したがって、低温容器から完全に分離されている。熱は、コールドヘッドから、ネックチューブにある冷媒を介して間接的に（ネックチューブにある液体冷媒の一部の蒸発と凝縮を経て）、低温冷凍機のコールドヘッドと低温容器の間の接触なしに、低温容器に伝達される。したがって、コールドヘッドから低温容器及び磁石構造に振動は全く伝達されない。
本発明のクライオスタット構造には、ネックチューブの端と低温容器、例えばヘリウム容器、との間に直接の開口がないので、磁石のクエンチによって解放された力が低温冷凍機に作用することはない。これにより、このクライオスタット構造に含まれるシステムの運転を中断することなくコールドヘッドを安全に設置し除去することが可能になる。この場合、低温容器は、懸吊チューブ以外に外部への開口を有しない。クエンチが生じた場合、コールドヘッドに作用する力は、周辺圧力よりもわずかに高い内側圧力による純粋に静的な力を除いて、通常運転のとき程度の大きさである。このような理由から、コールドヘッドと外側シェルの間の結合は、低温容器に対して開いているネックチューブの場合ほど堅固でなくてもよい。したがって、本発明のクライオスタット構造は、外側シェルに対する振動が減衰された、より柔らかな支持、及び／又は低温容器への入熱を減らすより薄い壁のネックチューブの使用、を可能にする。さらに、ネックチューブと追加のネックチューブ設備は、当局によって課せられた圧力容器に関する厳しいガイドラインと安全規則にもはや合致する必要はなく、そのため生産コストが減少する。
ネックチューブは、好ましくは、低温容器と同じ冷媒液体を収容する。これは特に、ネックチューブが放射シールドだけと結合するのではなく、低温容器と熱伝導可能に結合している場合に該当する。ネックチューブにおける冷媒雰囲気は、以下で説明するように低温容器の冷媒供給部から供給できる。
あるいはまた、ネックチューブと低温容器は異なる低温流体を収容していてもよい。これは、ネックチューブを熱伝導可能に放射シールドだけに結合することによって、また、ネックチューブの低温流体が、同じ圧力で低温容器の低温流体よりも低い沸点を有する場合に可能である。
ネックチューブは、熱伝導率が小さい、ステンレス鋼と同程度の熱伝導率の材料から有利に製造される。それによって低温容器への入熱を減らすことができる。ネックチューブの壁は、クエンチの場合の荷重が小さくなるので低温容器に開いているネックチューブの壁よりも薄くすることができ、これも入熱を減少させる。
本発明のある特定の実施の形態では、ネックチューブの少なくともいくつかの区間はベローズとして形成することができる。それによって、ネックチューブは低温容器の膨張又は収縮に適応できる。ネックチューブの暖かい端から冷たい端へ導かれる熱量は真っ直ぐなチューブに比べて少ない。
本発明のクライオスタット構造の好ましい実施形態では、ネックチューブの閉じた端が低温容器又は放射シールドに直接接触する。熱は、低温容器又は放射シールドから、ネックチューブを低温容器又は放射シールドから隔てている壁を介してのみネックチューブの冷媒に伝達される。
その場合、ネックチューブと低温容器又は放射シールドとの間の熱抵抗は０．０５Ｋ／Ｗより小さく、好ましくは０．０１Ｋ／Ｗよより小さい。この要求を満たすためには、隔てている壁の表面積がそれに対応して大きくなければならないか、又は隔てている壁の厚さがそれに対応して小さくなければならず、且つ隔てている壁の材質が熱伝導性に優れたものでなければならない。
あるいはまた、ネックチューブの閉じた端が低温容器又は放射シールドに直接接触せず、熱伝導性に優れた堅固な又はフレキシブルな要素を介してそれに結合されるようにしてもよい。これは、例えば、銅線を編んだ撚り線で実現してもよい。この場合、ネックチューブと低温容器の間の熱抵抗は、隔てている壁を介しての直接結合の場合よりも大きくなるが、ネックチューブと低温容器の間の振動伝達は減少する。さらに、ネックチューブと低温容器の間が直接接触している場合と同様に付加的な非対称荷重が通常運転下においても低温容器に作用しない。低温容器を中央位置に定位する、張力又は圧力センタリング方法を採用するセンタリング要素には均等な荷重がかかり、付加的なネックチューブなしのクライオスタット構造の場合のように設計できる。
その場合、ネックチューブと低温容器又は放射シールドとの間の熱抵抗は０．１Ｋ／Ｗよより小さく、好ましくは０．０５Ｋ／Ｗよより小さい。撚り線の数、長さ、直径及び材質はそれに応じて選ばなければならない。
本発明のクライオスタット構造の有利な実施の形態では、ネックチューブは充填デバイスを介して外部低温流体貯蔵容器に結合される。このようにして、クライオスタット構造の冷却の間、低温流体は絶えずネックチューブに供給される。低温流体は、また、室温の（高圧）気体にしてもよく、減圧弁を介してネックチューブに恒久的に、すなわち、冷却後も結合してもよい。これにより、ネックチューブ領域で漏れがあって外部への気体の漏洩が生じた場合でも、気体が常にその外部貯蔵容器から供給されるようにすることができる。
特に好ましい実施の形態では、低温容器はクライオスタット構造の外側シェルに結合された少なくとも一つの懸吊チューブによって懸吊され、外側シェル、低温容器、ネックチューブ、及び少なくとも一つの懸吊チューブが真空スペースを画定し、ネックチューブは低温容器の少なくとも一つの懸吊チューブに、遮断でき且つ急速作用弁を備える連結ラインを介して結合される。クライオスタット構造の冷却段階では、冷媒を低温容器からネックチューブに懸吊チューブと遮断可能な連結ラインを介して導くことができる。この場合、周囲温度の気体という形で懸吊チューブから抜けた冷媒はネックチューブの壁及び／又は冷凍機のコールドヘッドのチューブによって再冷却され、ネックチューブ又はコールドヘッドの下端の最終冷却段階で液化される。急速作用弁は、磁石構造のクエンチの際に、遮断弁が開いており低温容器における圧力が上昇したとき、ネックチューブの領域における圧力上昇を防止する。大量の（クエンチ）気体が連結ラインを通って流れると、急速作用弁が自動的に閉じてネックチューブを低温容器から切り離す。ネックチューブの領域における圧力はほぼ同じままである。このような理由により、ネックチューブと追加のネックチューブ設備は、当局によって課せられる圧力容器に関する厳しいガイドラインと安全規則がもはや適用されず、製造コストが減少する。冷凍機とネックチューブの設置作業は、磁石が充電されているときでも、クエンチの場合に技術者に危険を及ぼすことなく実行できる。
さらに、ネックチューブに熱伝導可能に結合されている少なくとも一つの低温容器の懸吊チューブは、ネックチューブと熱的に接触し低温容器で終端している付加的ラインと付加的に、又はその付加的ラインだけと結合してもよく、この付加的ラインに遮断デバイス及び／又はポンプを挿入してもよい。この付加的ラインは、低温容器をネックチューブの内側に結合せず、その側を通ってガイドされ、懸吊チューブと付加的ラインを通って低温容器に戻る気体の流れを形成する。上昇する気体がそれによって懸吊チューブの壁から熱を受け取り、それを冷却し、付加的ラインのネックチューブと結合している領域で再び冷却される。これによって懸吊チューブを介しての低温容器への入熱が減少する。
本発明のクライオスタット構造の別の実施の形態では、低温容器は周囲温度にあるネックチューブの端に、クライオスタット構造の外側シェルを通って導かれる少なくとも一つの流体ラインを介して結合され、外側シェル、少なくとも一つの低温容器、ネックチューブ、及び少なくとも一つの流体ラインが真空スペースを画定し、急速作用弁及び遮断デバイスが外側シェルとネックチューブの間の領域における流体ラインに組み込まれている。懸吊チューブから懸吊されていないクライオスタット構造であっても、流体ラインは冷媒を低温容器からネックチューブに導くことができる。
好ましい実施の形態では、低温冷凍機はパルスチューブ冷凍機又はギボード・マクマーン低温冷凍機であり、少なくとも二つのコールドステージを有する。二つのコールドステージは特に低い温度を発生し、二つの異なる温度レベルを提供することができる。
７７Ｋ以下の温度を低温冷凍機のコールドヘッドの一つのコールドステージで発生でき、同時に別の（第二の）コールドステージで４．２Ｋ以下の温度の液体ヘリウムを発生できる。
低温冷凍機コールドヘッドの最冷コールドステージでない、少なくとも一つのコールドステージが、放射シールド又は最冷低温容器ではない別の低温容器に熱的に結合されることが有利である。このようにして、放射シールドへの入熱が吸収されるか、又は別の低温容器における冷媒損失を相殺する又は少なくとも減少する。
少なくとも一つのコールドステージと放射シールド又は別の低温容器との間のこの熱的結合は、好ましくは、ネックチューブ壁を貫通するフレキシブルな及び／又は堅固なソリッド結合である。コールドステージとネックチューブ壁の間の結合は、例えば、堅固な結合であってもよく、ネックチューブ壁と放射シールド又は別の低温容器との間の結合は銅の撚り線という形のフレキシブルな結合であってもよい。
特に有利なやり方では、低温冷凍機のコールドヘッドの少なくとも一つのコールドステージと、少なくとも一つのコールドステージを放射シールド又は別の低温容器に熱的に結合するためにネックチューブ壁に結合されたソリッド結合との間にガスギャップが設けられる。このようにして、コールドヘッドから放射シールド又は別の低温容器への振動の伝達を最小にすることができ、しかも熱の伝達はまだ十分である。さらに、ソリッド結合はフレキシブルであっても堅固であってもよい。
しかしながら、本発明のクライオスタット構造の低温冷凍機は、パルスチューブ冷凍機又はギボード・マクマーン低温冷凍機で、一つのコールドステージを有するものであってもよい。
コールドステージは、好ましくは、７７Ｋ以下の温度を、例えば窒素を液化するために発生し、液体窒素で低温容器を、又は放射シールドを冷却することができる。
ネックチューブから低温冷凍機のコールドヘッドのチューブへの不必要な入熱を防ぐために、低温冷凍機のコールドヘッドのチューブは少なくとも一つのコールドステージの領域で少なくとも部分的に断熱材によって囲むことが有利である。
本発明の好ましい実施の形態では、少なくとも一つの低温冷凍機は低温容器における圧力を制御するための電気加熱手段を含む。
この制御は、電気加熱手段がネックチューブ内又は上に設けられるときも可能である。
電気加熱手段は、低温冷凍機の少なくとも一つのコールドステージに設けることもでき、それはこのコールドステージと接触している。低温容器の中の圧力は、この加熱手段によって間接的に一定に保つこともできる。
超伝導磁石構造が磁気共鳴分光、特に、磁気共鳴描画（ＭＲＩ）又は核磁気共鳴分光（ＮＭＲ）のための装置の一部である場合、本発明は特に有利に利用できる。振動による擾乱の排除がＭＲＩ又はＮＭＲデータを記録するのに特に重要である。低温冷凍機による直接冷却は、長い連続運転を保証する。冷凍機の保守や修理作業でさえも、磁石を放電して長い停止時間を発生させることなく、職員の高い安全性を確保して行うことができる。装置と建造のための追加経費は許容限度内にある。
本発明のその他の利点は以下の説明と図面から明らかになる。上述した特徴及び以下で述べる特徴は、単独でも、又は任意の組み合わせによっても利用できる。図示され説明される実施の形態はすべてを列挙したものではなく、本発明を説明するための例示的な性格のものと理解すべきである。
図１は、従来技術に係る、超伝導磁石コイル２６を備えるクライオスタット構造であり、ネックチューブ２’が低温容器１’の方に開き、部分的にベローズとして形成され、低温冷凍機の二段コールドヘッド３を収容する。コールドヘッド３で液化される冷媒４は直接に低温容器１’に滴下し、そこから低温容器１’への入熱によって蒸発する冷媒がネックチューブ２’に上昇し、コールドヘッド３によって再液化される。磁石がクエンチした場合、低温容器１’における圧力、及びネックチューブ２’における圧力も急速に上昇するので、クライオスタット構造の運転中にコールドヘッド３を安全に設置又は除去することができるという保証がない。クエンチの際、ネックチューブ２’も圧力の上昇にさらされるので、クエンチ中の大きな機械的負荷に耐えられるように設計されなければならない。さらに、ネックチューブ２’と追加のネックチューブ設備は、当局によって課せられる厳格なガイドライン及び安全規則に合致しなければならない。
図２は、超伝導磁石コイル２６を有する本発明のクライオスタット構造の或る実施の形態を示し、低温容器１がネックチューブ２から気密に分離されている。しかし、ネックチューブ２は、分離壁５によって低温容器１と直接に熱的接触している。
図３は別の実施の形態を示し、ネックチューブ２と低温容器１との間の熱的接触は熱伝導性に優れたフレキシブルな要素６によって間接的に実現されている。どちらの実施の形態も連結ライン８を備え、これは遮断弁７によって遮断することができ、クライオスタット構造の懸吊チューブ９をネックチューブ２に結合している。遮断弁７が開いているときにクエンチが起きた場合、ネックチューブ２の領域の圧力が上昇しないようにする急速作用弁１０が連結ライン８に組み込まれている。したがって、ネックチューブ２は、もはや当局によって課せられる圧力容器に関する厳格なガイドライン及び安全規則に合致する必要はなく、このため製造コストが減少する。冷凍機のコールドヘッド３とネックチューブ２の組み付け作業は、磁石コイル２６が充電され、遮断弁７が開いているときでも、クエンチが起きたときに技術者を危険にさらすことなく行うことができる。通常、急速作用弁１０にスロットル・デバイスが組み込まれており、（調整可能な）バネに反して該弁を閉鎖させるガス流れの急激な増加が生じた場合に、該急速作用弁１０を跨いで圧力低下が起こる。
システムは自己制御する。スタート時には、低温容器１とネックチューブ２の間の連結ライン８の遮断弁７は開いており、したがって、ネックチューブ２における圧力と低温容器１における圧力は同じである。クライオスタット構造の冷却の間、低温冷凍機がスイッチオンされた状態で低温容器１を冷媒液体で充填中、及びその後において、冷媒は連続的に低温容器１からネックチューブ２に供給される。ネックチューブ２と低温冷凍機のコールドヘッド３との両下端が十分に冷たく、且つ低温冷凍機の冷却能力も低温容器１及びネックチューブ２への入熱よりも大きい場合、コールドヘッド３は冷媒を液化し始め、その結果冷媒溜１１という形でネックチューブ２の下方領域にたまる。その後の運転で、低温冷凍機は連結ライン８を介して低温容器１から冷媒をますます吸い込み、ネックチューブ２の冷媒溜１１の液体レベルが絶えず上昇する。さらに、低温冷凍機によって液化される気体の量が蒸発する液体の量よりも多いので、ネックチューブ２と同時に低温容器１における圧力が減少する。ネックチューブ２における圧力と低温容器１における圧力は同じであり、したがって、両領域における温度も同じ温度（＝行きわたっている（蒸気）圧に関連する沸点）である。低温容器とネックチューブの間に温度差がないので、低温容器１とネックチューブ２の冷媒溜１１の間に熱の流れはない。
次に、連結ラインの遮断弁７が閉じられる（図２と図３）。コールドヘッド３は冷媒を液化し続ける。低温容器１からは冷媒は流れ出すことができないので、ネックチューブ２の領域における圧力は低下する。ネックチューブ２の圧力が低くなると、冷媒溜１１の沸点温度が低くなり、その結果、低温容器とネックチューブの間に温度差が発生するので、低温容器１からネックチューブ２の冷媒溜１１への熱の流れを生じさせる。蒸発した冷媒は低温容器１中において多少冷たい分離壁５（図２）上で、又は低温容器の壁（図３）上で凝縮し、凝縮熱を出し、それが分離壁５（図２）を通って、又は熱伝導性のある要素６（図３）を介して流れ、ネックチューブ２の冷媒溜１１で冷媒の蒸発を引き起こす。冷媒蒸気はその後ネックチューブ２内を上昇し、コールドヘッド３の第二のコールドステージ２７で液化され、滴下してネックチューブ２の冷媒溜１１に戻る。すなわち、二つの別々の（蒸発と凝縮を行う）冷媒回路があり、これらは互いに結合しており、熱は従来のクライオスタット構造と同等の距離を経て伝達されるが、熱伝導性に優れた分離壁５又は要素６を介して、一方の閉じたシステムから他方の閉じたシステムに、二つの相互接続されたヒートパイプと同様に、ほんのわずかな温度差で伝達される。
低温冷凍機の冷却能力が蒸発した冷媒を凝縮させるのに必要な能力よりも高い場合、ネックチューブ２からの気体がさらに液化され、そこでは圧力が低下する。これが再びネックチューブ２の冷媒溜１１の温度低下を引き起こし、その結果、熱伝導性に優れた分離壁５又は要素６を通る熱の流れが増加し、冷媒がさらにネックチューブ２の冷媒溜１１から蒸発する。逆に、低温容器１ではさらに蒸気が凝縮し、外部手段を講じなければ、そこでも圧力が低下する。低温容器１における圧力を周辺圧力よりも大きな値に制御することが好ましく、これは、低温容器１の過剰な能力を相殺し、圧力を一定に維持するように低温容器１における加熱手段１２を制御するコントローラーＰＩＣによって実現される。平衡が速やかに確立され、ネックチューブ２の冷媒溜１１で蒸発する冷媒の量が低温容器１で液化できる量と同じになる。
低温容器１とネックチューブ２の間の温度差、また結果としてその圧力差は、熱伝達の効率及び熱伝達面の大きさに依存し、さらには、分離壁５の厚さや材質に依存する。熱伝達が良く、熱伝達面が大きく、分離壁５が薄く、さらに分離壁５の熱伝導率が高いほど、その温度差及び圧力差は小さくなる。
図３の熱伝導性に優れたフレキシブルな要素６の熱抵抗は、通常は、図２の分離壁５の熱抵抗よりも大きい。低温容器１とネックチューブ２の間の温度及び圧力の差が過剰に増大することを防ぐためには、要素６の熱抵抗は０．１Ｋ／Ｗ以下でなければならない。冷凍機が第二のコールドステージ２７で０．５Ｗの熱を吸収する場合、ほぼ４８ｍｂａｒという圧力差に対応する０．０５Ｋという温度差が低温容器１とネックチューブ２の間に発生する。低温容器１の圧力が１．０４ｂａｒに制御されている場合、ネックチューブにおける圧力は０．９９２ｂａｒになり、この圧力はほとんどの気象条件におけるほぼ海抜５００ｍの高度での周辺圧力よりも高い。また、第二のコールドステージ２７の温度が低下すると、低温冷凍機の（冷却）能力も低下するということを注意しておかなければならない。これが、分離壁５に関しては小さな熱抵抗が望ましいことの別の理由である。
図３の構造は、通常運転のときでも低温容器１への付加的な非対称荷重が発生しないという点で有利である。このため、外側シェルに対して低温容器１を中央位置に定位させるセンタリング要素は従来の（低温冷凍機による直接冷却がない）クライオスタット構造の場合と同様に設計できる。
図４に示されているように、懸吊チューブ９とネックチューブ２の間の連結ライン８が開いたままであるときでさえも、提案された構造は機能する。冷却後、連結ライン８の遮断弁７が閉じていない場合、ネックチューブ２の冷媒溜１１には液体冷媒がどんどんたまる。最終的に冷媒溜１１の液面レベルはコールドヘッド３の第二のコールドステージ２７に達し、コールドヘッド３の第二のコールドステージ２７のパルス・蓄熱チューブ１３のまわりを上昇する。ネックチューブ２の冷媒蒸気は、もはや第二のコールドステージ２７に凝縮せず、冷媒溜１１の液面に凝縮する。
コールドヘッド３の第二のコールドステージ２７が過剰な能力を有する場合、その温度はこの圧力における冷媒の沸点よりも下がり、第二のコールドステージ２７のフランジ１４近くの冷媒溜１１の液体はサブクール状態となる。図５は、開いた連結ライン８を備える本発明のクライオスタット構造のネックチューブ２の冷媒溜１１の下方領域における温度勾配を示す。第二のコールドステージ２７のフランジ１４近くの冷媒をサブクーリングすることより、密度を高くすることでその位置の液体を沈降させる。ネックチューブ２と低温容器１の間の分離壁５上で、ネックチューブ２又は低温容器１における（蒸気）圧における平衡温度よりも少し低い温度で、ネックチューブ２の液体は蒸発し、蒸気の泡１５を生ずる。蒸気の泡１５は、上昇し、もっと冷たい液体の領域、それから第二のコールドステージ２７のフランジ１４の付近に達し、そこでつぶれて凝縮熱を放出する。部分的に二相の対流が分離壁５と低温冷凍機の第二のコールドステージ２７のフランジ１４の間に形成される。
分離壁５と第二のコールドステージ２７の間では、熱伝導によってさらなる熱が伝達される。液体ヘリウムなどの液体冷媒は熱伝導性が比較的低いので、温度差が小さいこと、通常熱交換面が存在していること、及び分離壁５及び第二のコールドステージ２７の間に存在する距離を考慮すれば、この熱の流れは一般に無視できる。
低温冷凍機の第二のコールドステージ２７の温度が低くなると、冷却能力は低くなるということを注意しておかなければならない。さらに、閉じた連結ライン８を有する構造に比べて、低温冷凍機の第二のコールドステージ２７のチューブ１３のまわりの周囲条件が（気体でなく液体に）変化していることによっても減少しうる。分離壁５を介してネックチューブ２の冷媒溜１１への入熱及びその入熱に寄与するその他のもの（例えば、ネックチューブ２の壁を介するもの）がより低い温度での低温冷凍機の冷却能力にに見合ったものになると、平衡状態に到達する。
開いた連結ライン８を有する本発明のクライオスタット構造（図４及び図５）の動作は、サブクール状態の液体中にある第二のコールドステージ２７の温度が下がり、これに従い低温冷凍機の冷凍能力が下がるので、冷媒の沸点で得られる低温冷凍機の第二のコールドステージ２７の冷却能力が利用できないという欠点を招く。この構造の大きな利点は、ネックチューブ２の領域の外部に冷媒の漏れが生じても、冷媒が絶えず低温容器１から供給され、構造の機能を長時間維持でき、あるいは低圧状態の発生を防止できることにある。その外部への冷媒の損失は一時的に許容できる小さな欠点である。しかし、連結ラインが閉じているときにネックチューブ２の領域の外部への漏れがあると（図２及び図３）、ネックチューブ２の領域での圧力は、ネックチューブ２の冷媒溜１１の温度と同様に低下する。分離壁５の両側の間の温度差が大きいため、ネックチューブ２でより多量の液体が蒸発し、より多量のヘリウム蒸気が低温容器１中の分離表面５に凝縮する。
さらに、ネックチューブ２の冷媒溜１１全体が蒸発する可能性があり、ネックチューブ２に低圧状態が発生する。
図６は、本発明のクライオスタット構造の更なる実施の形態を示しており、これは、懸吊チューブ９に結合され且つネックチューブ２に沿って低温容器１に導かれている付加的ライン１６を有する。この付加的ライン１６は、冷媒を低温容器１から懸吊チューブ９を介して再び低温容器１へ導く。懸吊チューブ９内を上昇する冷媒はチューブ壁を通して入ってくる熱を吸収し、懸吊チューブ９を出る時点で周囲温度にまで加熱される。これによって外部からの懸吊チューブ９を介して低温容器１への入熱が阻止される。この冷却する流れは、ネックチューブ２の冷たい端に結合された付加的ライン１６の端における吸引作用によって維持される。図６は、すでに冷媒で満たされたネックチューブ２を示している。ネックチューブ２は、（不図示の）充填デバイスによって充填してもよい。冷媒を別の懸吊チューブ（図６に図示せず）を介してネックチューブ２に供給する付加的連結ラインを、例えば、（図２から図４までに示されるように）設けてもよい。付加的ライン１６は、分岐したラインであってもよく、一方のラインはネックチューブ２で終端し、他方のラインはネックチューブ２を通り越して配される。
低温容器における圧力を制御するために、図６の実施の形態は冷媒溜１１中のネックチューブ２の中に加熱手段１７を備える。加熱手段は、さらに、低温冷凍機の第二のコールドステージ２７に直接取り付けることもでき、低温容器１における圧力が一定となるように制御される。ネックチューブ２と低温容器１の間の上記の熱伝達分離壁５の寸法及び材質もネックチューブ２内の圧力に影響する。したがって、分離壁５は大きくて薄く、熱伝導性に優れた材料から作るようにして、ネックチューブ２内の圧力が低温容器１内に比べてかなり低くなることはなく、できる限り周囲に対して低圧状態が発生しないようにしなければならない。これによって、漏れが発生したときに湿った空気が外部から吸い込まれ水蒸気を凍結させることを防止する。
図７は、低温容器１とネックチューブ２の冷却の際の本発明のクライオスタット構造を示す。低温流体は外部貯蔵容器１９から送給ライン１８を介してネックチューブ２に導かれる（図７の矢印）。外部貯蔵容器１９からの低温流体は気体状でネックチューブ２に入り、コールドヘッド３のチューブ又はネックチューブ２の壁に沿って冷却される。冷媒は最終的にコールドヘッド３の第二のコールドステージ２７で液化され、ネックチューブ２と低温容器１の間の分離壁５に滴下する。減圧弁２９が外部貯蔵容器１９とネックチューブ２の間に組み込まれている。それは周囲圧力よりわずかに高くなるように調整される。ネックチューブ２の圧力が調整された圧力以下であると、気体がさらに入ってくる。冷却後、定常的な運転状態が確立されると（低温容器１における加熱手段１２又はネックチューブ２における加熱手段１７を用いた低温容器１及びネックチューブ２の圧力を制御することを含めて）、外部貯蔵容器１９からの気体の流れがストップする。ネックチューブ１に漏れが発生した場合、ネックチューブ中で低圧状態は全く発生しない。外部貯蔵容器１９における（気体）圧力がある限界値以下に低下すると、例えばクライオスタット構造の監視システムのアラームを作動するようにできる。
すべての実施の形態で、低温容器の第二のコールドステージ２７と低温容器１の間の熱伝達は完全に無接触である。したがって、振動の伝達はほとんど防止される。
二段低温冷凍機を用いる場合（図２から図７まで）、放射シールド２０又は（例えば、液体窒素を含むような）別の低温容器が通常コールドヘッド３の第一のコールドステージと接触し、それによって直接冷却される。第一のコールドステージはここで放射シールド２０に、又は（好ましくは）熱伝導性に優れたフレキシブルな結合要素２１、例えば銅の撚り線などを介して、堅固に結合されてもよい。第一のコールドステージと放射シールド２０の間の振動伝達をさらに効果的に抑制するために、小さなガスギャップ２３を、例えば第一のコールドステージと接触フランジ２２の間に残してもよく、それをさらに放射シールド２０に直接、又はかさねて熱伝導性に優れたフレキシブルな結合要素２１を介して結合する（例えば、図２、及び図４〜７参照）。第一のコールドステージにおける冷却能力が十分であれば、この追加の熱抵抗は無視することができ、放射シールド２０の温度は過剰に上昇しない。
ネックチューブ２からコールドヘッドのチューブ１３への好ましくない入熱を防止する、又は少なくとも減らすために、コールドヘッドのチューブ１３を、第一のコールドステージの領域内で、且つできれば他のコールドステージの領域内でも断熱材２４によって囲む。コールドヘッドの第一のコールドステージの上のチューブは室温と第一のコールドステージの温度の間の温度を有する。
一般に、低温容器１は、例えば、液体ヘリウムを収容しているとき、温度が低すぎるので一段コールドヘッド２５によって冷却することはできない。しかし、別の低温容器（たいていの場合、液体窒素を含む容器）又は放射シールド２０のいずれかを上記と同様の仕方で冷却することは実行可能である。図８はこのタイプの実施の形態を示す。ネックチューブ２は外部貯蔵容器１９から適当な冷媒（例えば、窒素、アルゴン、ネオン）が充填される。やはり、低温冷凍機のチューブ１３を室温とコールドステージの温度の間の領域で熱的に絶縁することが有利である。この場合も、ネックチューブ２は直接に放射シールド２０又は別の低温容器に結合する必要はない。この場合も、熱伝導性に優れたフレキシブルな要素６を用いて非対称な力の発生を防止し、且つ振動の伝達を悪化させることができる（図３も参照）。
低温容器の方に開いているネックチューブと、それに組み込まれた、低温冷凍機のコールドヘッドを有する従来技術によるクライオスタット構造を示す概略図である。 閉じたネックチューブと低温容器との間の直接接触を有し、且つ低温容器の懸吊チューブとネックチューブとの間の閉じた連結ラインを有する本発明のクライオスタット構造を示す概略図である。 ネックチューブと低温容器との間の間接的接触を有し、且つ低温容器の懸吊チューブとネックチューブとの間の閉じた連結ラインを有する本発明のクライオスタット構造の更なる実施の形態を示す概略図である。 低温容器の懸吊チューブとネックチューブとの間の開いた連結ラインを有する本発明のクライオスタット構造を示す概略図である。 低温容器の懸吊チューブとネックチューブとの間の開いた連結ラインを有する本発明のクライオスタット構造のネックチューブの領域と、ネックチューブの冷媒浴の下方領域における温度勾配とを示す概略図である。 低温容器の懸吊チューブとネックチューブとの間の連結ラインを有し、連結ラインがネックチューブと熱的に接触している本発明のクライオスタット構造を示す概略図である。 低温容器とネックチューブの冷却時で、ネックチューブが低温流体の外部気体貯蔵容器に結合されている本発明のクライオスタット構造を示す概略図である。 放射シールドを冷却するための本発明のクライオスタット構造の更なる実施の形態を示す概略図である。
符号の説明
１’ 低温容器（従来技術）
２’ ネックチューブ（従来技術）
１ 低温容器
２ ネックチューブ
３ コールドヘッド
４ 液化された冷媒
５ 分離壁
６ 熱伝導性に優れた要素
７ 遮断弁
８ 連結ライン
９ 懸吊チューブ
１０ 急速作用弁
１１ 冷媒溜
１２ 低温容器中の加熱手段
１３ コールドヘッドのチューブ
１４ 第二のコールドステージのフランジ
１５ 蒸気の泡
１６ 付加的ライン
１７ ネックチューブ中の加熱手段
１８ 送給ライン
１９ 外部貯蔵容器
２０ 放射シールド
２１ フレキシブルな結合要素
２２ 接触フランジ
２３ ガスギャップ
２４ 断熱材
２５ 一段コールドヘッド
２６ 磁石コイル
２７ コールドヘッドの第二のコールドステージ
２８ コールドヘッドの第一のコールドステージ
２９ 減圧弁

Claims (19)

  1. 少なくとも一つの低温容器に低温流体を保持するクライオスタット構造であって、外側シェルと、低温冷凍機のコールドヘッドを収容するネックチューブを備え、該低温冷凍機の該コールドヘッドの少なくとも最冷コールドステージが該ネックチューブ及び該低温容器に対して無接触で配置され、該ネックチューブが低温流体を収容するクライオスタット構造において、
    該ネックチューブは該クライオスタット構造の外側シェルと該低温容器の一つとの間に配置され、該ネックチューブは該低温容器の一つに面する端において気密に閉じられ、該ネックチューブは熱伝導性に優れたコネクションを介して該低温容器の一つと結合され、該ネックチューブが周囲温度端に低温流体を該ネックチューブに充填するための充填デバイスを備えることを特徴とするクライオスタット構造。
  2. 超伝導磁石構造が該低温容器の一つに配置されることを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット構造。
  3. 該ネックチューブ内及び該低温容器内の該低温流体が同じであることを特徴とする請求項１又は２記載のクライオスタット構造。
  4. 該ネックチューブ及び該低温容器が異なる低温流体を収容することを特徴とする請求項１又は２記載のクライオスタット構造。
  5. 該ネックチューブの該閉じた端が該低温容器に直接接触していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  6. 該ネックチューブの該閉じた端が該低温容器に直接接触せず、熱伝導性に優れた堅固な又はフレキシブルな要素を介してそれに結合されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  7. 該ネックチューブが該充填デバイスを介して外部低温流体貯蔵容器に結合されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  8. 該低温容器が該クライオスタット構造の該外側シェルに結合された少なくとも一つの懸吊チューブで懸吊され、該外側シェル、該低温容器、該少なくとも一つの懸吊チューブ、及び該ネックチューブが真空にされるスペースを画定し、該ネックチューブが該低温容器の少なくとも一つの懸吊チューブに、組み込まれた急速作用弁を備え且つ遮断することができる連結ラインを介して結合されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  9. 該低温容器の少なくとも一つの懸吊チューブが、該ネックチューブに熱伝導可能に結合されると共に該ネックチューブと熱的に接触して該低温容器内で終端する付加的ラインに結合され、又は該付加的ラインにのみ結合され、該付加的ラインに遮断デバイス及び／又はポンプを挿入することができることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  10. 該低温容器が該ネックチューブの周囲温度にある端に、該クライオスタット構造の該外側シェルを介して導かれる少なくとも一つの流体ラインを介して結合され、該外側シェル、該少なくとも一つの低温容器、該ネックチューブ及び該少なくとも一つの流体ラインが真空にされるスペースを画定し、該外側シェルと該ネックチューブの間の領域で該流体ラインに急速作用弁及び遮断デバイスが組み込まれていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  11. 該低温冷凍機がパルスチューブ冷凍機又はギボード・マクマーン（Gifford-McMahon）冷凍機で少なくとも二つのコールドステージを有し、該低温冷凍機のコールドヘッドのあるコールドステージで７７Ｋ以下の温度を発生することができ、同時に４．２Ｋ以下の温度の液体ヘリウムを別のコールドステージで発生することができることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  12. 該低温冷凍機コールドヘッドの最冷コールドステージでない少なくとも一つのコールドステージが、放射シールド又は最冷低温容器でない別の低温容器に熱的に結合されていることを特徴とする請求項１１に記載のクライオスタット構造。
  13. 該少なくとも一つのコールドステージと、該放射シールド又は該別の低温容器との間の熱的結合が、ネックチューブ壁を貫通するフレキシブルな及び／又は堅固なソリッド結合によって実現されることを特徴とする請求項１２に記載のクライオスタット構造。
  14. 該低温冷凍機コールドヘッドの該少なくとも一つのコールドステージと該少なくとも一つのコールドステージを該放射シールド又は該別の低温容器に熱的に結合するための該ネックチューブ壁へのソリッド結合の間にガスギャップが設けられていることを特徴とする請求項１３に記載のクライオスタット構造。
  15. 該低温冷凍機がパルスチューブ冷凍機又はギボード・マクマーン冷凍機で一つのコールドステージを有し、そのコールドステージで７７Ｋ以下の温度を発生することができることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  16. 該低温冷凍機の該コールドヘッドのチューブが少なくとも一つのコールドステージの領域で少なくとも部分的に断熱材で囲まれていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  17. 少なくとも一つの該低温容器に電気加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  18. 電気加熱手段が該ネックチューブ内又は上に、及び／又は該低温冷凍機の少なくとも一つのコールドステージに設けられてそれと接触していることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
  19. 該超伝導磁石構造が磁気共鳴分光、特に、磁気共鳴描画（ＭＲＩ）又は核磁気共鳴分光（ＮＭＲ）のための装置の一部であることを特徴とする請求項２乃至１８のいずれか１項に記載のクライオスタット構造。
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