JP6201171B2

JP6201171B2 - 低振動トランスファーチューブ

Info

Publication number: JP6201171B2
Application number: JP2013130041A
Authority: JP
Inventors: 常広武田
Original assignee: FRONTIER TECHNOLOGY INSTITUTE INC.
Current assignee: FRONTIER TECHNOLOGY INSTITUTE INC.
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: JP2015004406A

Description

本発明は、液体ヘリウムや低温のヘリウムガスを輸送する低振動トランスファーチューブに関する。

従来、ＭＥＧ（脳磁計）、ＮＭＲ（核磁気共鳴）、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）など、各種の検出装置において、高感度センサＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）や超電導マグネットが利用されている。

ＳＱＵＩＤや超電導マグネットを動作させるために、液体ヘリウムが用いられる。これらシステムにおいて、ヘリウムの枯渇が社会問題化しつつある中で、液体ヘリウムを循環使用可能にすることが重要である。

本発明者は、下記特許文献に開示されるような、ヘリウムガスの循環使用を可能にするシステムを提案し、ＭＥＧや超電導物性試験装置につけて実用化している。

米国特許第６４８８７５３号公報特開２０００−１０４９００号公報特開２０００−１９３３６４号公報特開２００７−３２１８７５号公報

上記特許文献に示されるように、液体ヘリウム容器（デュワ）と冷凍機を別置きにし、液体ヘリウム、ヘリウムガスを適切なトランスファーチューブにより輸送することで、ヘリウムを循環利用して、効率的なヘリウムの利用が可能になる。このような冷却システムを各種検出装置に適用した場合に好適なシステムとしたいという要求がある。

本発明は、冷凍機と液体ヘリウム容器を接続するための低振動トランスファーチューブであって、一方側からのチューブが他方側からのチューブの内側に同心状に延在する入れ子構造とし、入れ子構造の外側のチューブの内壁と、入れ子構造の内側のチューブの外壁を１以上のシール部材で接合することにより両チューブの内側空間の真空を保持しつつ、トランスファーチューブを伝わる振動および音響ノイズを減衰させるとともに、入れ子構造の外側のチューブの端部に第１フランジを形成するとともに、入れ子構造の内側のチューブの、前記第１フランジに対向する位置に第２フランジを設け、前記第１及び第２フランジ間に衝撃吸収特性の物質を介在させる低振動トランスファーチューブである。

本発明の１つの実施形態では、前記シール部材は、Ｏリングとすることができる。

本発明の他の実施形態では、前記シール部材は、磁性流体シールとすることができる。

本発明によれば、各種の検出システムにおいて、高精度の計測が行える。すなわち、本発明によれば、トランスファーチューブを伝わる振動及び音響ノイズが抑制され、液体ヘリウム容器を備える検出装置（ＮＭＲ等）側の解析や検出に対する悪影響を確実に抑制できる。また、本発明では、トランスファーチューブ内部の真空が保持されるので、チューブ内を流れる液体ヘリウムの真空断熱状態が維持され、冷凍機から液体ヘリウム容器に確実に液体ヘリウムを供給することができる。

システムの配置を示す図である。システムの概略構成を示す図である。コールドチャンバの構成を示すシステム構成図である。高真空ＴＴ振動減衰器の構成例を示す図である。高真空ＴＴ振動減衰器の他の構成例を示す図である。磁気流体シールドの構成例を示す図である。

以下、本発明の超電導マグネットをヘリウムで冷却するＮＭＲなどの検査システムの実施形態について、図面に基づいて説明する。但し、以下の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

「システム構成」
図１は、システムの外観模式図である。このように、検出装置１０とコールドチャンバ４０に両端が接続されるトランスファーチューブ９０が設けられ、この途中に高真空ＴＴ振動減衰器６０が配置される。高真空ＴＴ振動減衰器６０によって、コールドチャンバ４０内の冷凍機などにおいて生じる振動がトランスファーチューブ９０を介し、検出装置１０に伝達されることを防止する。

図２にシステムの概略構成例を示す。検出装置１０は、その内部に液体ヘリウムを貯留するデュワ１２を有する。このデュワ１２内には、図示を省略した超電導マグネットが配置される。超電導マグネットは、例えば円筒形の超電導コイルからなり、所定の磁場を生起する。

超電導マグネットによって形成される磁場を利用して各種の検出が行われる。

デュワ１２の周囲には、デュワ１２を取り囲むようにして熱シールドタンク１６が配置され、熱シールドタンク１６とデュワ１２の間、および検出装置１０のケーシングとの間には真空層１８ａ，１８ｂが形成されている。すなわち、真空断熱すると共に、熱シールドタンク１６を低温に維持することで、デュワ１２の輻射熱による温度上昇を抑制している。

この検出装置１０とは別体として、コールドチャンバ４０が設けられており、このコールドチャンバ４０は、冷凍機第１ステージ４２、冷凍機第２ステージ４４、凝縮器４６を有する。

検出装置１０のデュワ１２内の液体ヘリウムの液面近くには、蒸発直後の４Ｋ程度の低温ヘリウムガス（４ＫＧ）を採取する細管が配置され、ここで集められた低温ヘリウムガスが凝縮器４６に供給される。そして、凝縮器４６において作られた４Ｋ程度の液体ヘリウム（４ＫＬ）がデュワ１２に返送される。これによって、デュワ１２内の液体ヘリウムが維持される。ここで、「４ＫＧ」の「４Ｋ」は温度、「Ｇ」はガス状を示し、同様に、「４ＫＬ」の「４Ｋ」は温度、「Ｌ」は液体状を示す。

デュワ１２の周囲に配置される熱シールドタンク１６は、熱伝導率の高い金属（例えばＣｕ）などの部材を用いた容器となっている。熱シールドタンク１６には、冷凍機第１ステージ４２において得られる４０Ｋ程度の冷却ヘリウムガス（４０ＫＧ）が供給される。従って、デュワ１２の周囲は真空層１８ａ，１８ｂにより真空断熱されると共に、４０ＫＧ程度の熱シールドタンク１６に対向することになり、デュワ１２の輻射による吸熱が抑制される。デュワ１２の周囲は熱シールドタンク１６との間だけでなく、内側空間との間にも、真空層１８ａが設けられる。

熱シールドタンク１６から排出される５０Ｋ程度に温度上昇したヘリウムガス（５０ＫＧ）は、冷凍機第１ステージ４２に送られ、ここにおいて、４０Ｋ程度に冷却され、冷却ヘリウムガス（４０ＫＧ）として、熱シールドタンク１６に返送される。

また、ヘリウムガスボンベ５６が設けられ、ここからのヘリウムガスがバルブを介し冷凍機第１ステージ４２、冷凍機第２ステージ４４で冷却され、凝縮器４６に供給可能となっている。従って、系内のヘリウムが減少したときには、ヘリウムガスボンベ５６からヘリウムガスを供給することで補充ができる。凝縮器４６では、液化する過程で内部の圧力が低下するため、ヒータ等により圧力を適切に維持することが好適である。

同様に、熱シールドタンク１６内のヘリウムガスの圧力もヘリウムガスボンベ５６からのヘリウムガスの供給で調節される。

本システムでは、ヘリウムを循環利用するため、基本的に液体ヘリウムの補充を不要とすることができる。すなわち、冷凍機の定期保守の際に損失するヘリウムの補充だけで十分であり、液体ヘリウムの補充は、ヘリウムガスボンベ５６から供給されるヘリウムガスの液化によって行うことができる。

「コールドチャンバ」
コールドチャンバ４０について、図３に基づいて説明する。コールドチャンバ４０は、真空容器となっており、ＧＭ冷凍器の冷凍機第１ステージ４２と、冷凍機第２ステージ４４と、凝縮器４６を含む。冷凍機第１ステージ４２は、熱シールドタンク１６からの５０Ｋ程度のヘリウムガス（５０ＫＧ）を４０Ｋ程度のヘリウムガス（４０ＫＧ）に冷却する。凝縮器４６は、４Ｋのヘリウムガス（４ＫＧ）を４Ｋの液体ヘリウム（４ＫＬ）に液化する。

上述したように、デュワ１２内の液体ヘリウム液面近傍の４Ｋ程度の低温ヘリウムガス（４ＫＧ）は直接凝縮器４６に吸引され、ここで液化される。

「トランスファーチューブ」
本実施形態では、検出装置１０とコールドチャンバ４０は別体として、それぞれ別室に設置される。検出装置１０とコールドチャンバ４０は、トランスファーチューブ９０により接続される。

トランスファーチューブ９０は、一番内側に液体ヘリウム（４ＫＬ）の輸送管、次に４Ｋ程度の低温ヘリウムガス（４ＫＧ）の輸送管、その次に４０Ｋ程度の冷却ガス（４０ＫＧ）の輸送管を配置する多重管構造とすることが好ましいが、必ずしもこれに限定されない。最外管の内側は真空として熱シールド管を配置し、その内側に各種輸送管を配置することが好ましい。

図４には、トランスファーチューブ９０の途中に配置される振動伝達抑止用の高真空ＴＴ振動減衰器６０の構成を示してある。コールドチャンバ４０内の冷凍機は、ポンプを利用して断熱膨張を繰り返すなどの動作を行うため、振動が発生する。本実施形態では、コールドチャンバ４０と検出装置１０とは別置きとしており、冷凍機の振動が検出装置１０に伝わりにくくなっている。しかしながら、検出装置１０とコールドチャンバ４０は、トランスファーチューブ９０で接続されており、トランスファーチューブ９０を介して冷凍機の振動が検出装置１０に伝わり得る。この振動は、検出装置１０、例えばＮＭＲ装置の分析、検出に悪影響を及ぼす。

そこで、本実施形態では、トランスファーチューブ９０の途中に高真空ＴＴ振動減衰器６０を配置することで、冷凍機から検出装置１０への振動の伝達を抑止する。特に、トランスファーチューブ９０の外管は両端がコールドチャンバ４０および検出装置１０に密着して固定されており、ここを伝わる振動を防止することが重要である。

図４において、トランスファーチューブ９０の熱シールド管６２内には、複数のヘリウム輸送管が多重管構造で配置される。熱シールド管６２を取り囲んで、外側パイプ６４を配置し、この外側パイプ６４の内部は真空に維持される。外側パイプ６４は、図における高真空ＴＴ振動減衰器６０の右側の外側パイプ６４ａ、及び高真空ＴＴ振動減衰器６０の左側の外側パイプ６４ｂから構成され、それぞれ高真空ＴＴ振動減衰器６０に接続されて終端している。

高真空ＴＴ振動減衰器６０は、内管６６と外管６８が入れ子構造で接続される構造を有している。すなわち、内管６６が外管６８の内側に同心状に配置される。外側パイプ６４ａの端部は内管６６に固定され、外側パイプ６４ｂの端部は外管６８に固定される。例えば、外側パイプ６４ａ，６４ｂは、高真空ＴＴ振動減衰器６０の内管６６、外管６８とフランジを介するボルト締め等で、着脱自在に接続される。これにより、入れ子構造の高真空ＴＴ振動減衰器６０と、外側パイプ６４ａ，６４ｂの接続が容易になる。また、高真空ＴＴ振動減衰器６０の内管６６、外管６８あるいは外側パイプ６４ａ，６４ｂは、それぞれ別々に床、天井などにフレーム９２を介し固定位置決めされてもよい。

また、図４において、高真空ＴＴ振動減衰器６０の内管６６の所定箇所（図では２箇所）には、円環状の凹み７０が設けられ、ここにＯリング７２が挿入されている。従って、内管６６の外周面と、外管６８の内周面の隙間はＯリングにより２段階でシールされており、これによって外側パイプ６４内の真空状態が維持される。また、内管６６の外周面と外管６８の内周面の間には間隙があり、Ｏリング７２の外周面が外管６８の内周面に接触することで、内管６６が外管６８を支持する構造となっている。なお、Ｏリング７２は、シリコーン樹脂などの弾性を有するプラスチック材で形成されている。

さらに、図４において、高真空ＴＴ振動減衰器６０の内管６６の右側端と、外管６８の右側端には、それぞれ管軸中心から外側方向に伸びるフランジ７４，７６が形成されており、フランジ７４の左側面と、フランジ７６の右側面が対向配置されている。両フランジ７４，７６の間には、衝撃吸収材７８が配置されている。衝撃吸収材７８は、振動を吸収するものであり、例えばシリコーンを主原料とした柔らかなゲル状の素材、αＧＥＬ（商品名）などを含んで構成されることが好適である。両フランジ７４，７６間に衝撃吸収材７８を配置することで、振動の伝達をより効果的に抑制するとともに、気密性も上昇する。衝撃吸収材７８は、リング状に設けることが好適であるが、気密性を向上させるためには、リング状の衝撃吸収材７８を同心円状に複数個設けるとよい。

なお、上述したように、内管６６及び外管６８のフランジ７４，７６をそれぞれ別々にフレーム等に固定してもよい。このような構成によって衝撃吸収材７８を除けば、接触が減少するため、振動伝達性はさらに低くなる。

このように、本実施形態では、高真空ＴＴ振動減衰器６０の内管６６と外管６８を入れ子構造として、内管６６の外周面と外管６８の内周面をＯリング７２で接続する構造としている。また、内管６６及び外管６８のそれぞれのフランジ７４，７６の間に衝撃吸収材７８を配置している。従って、トランスファーチューブ９０の外側パイプ６４、具体的には外側パイプ６４ａ，６４ｂ（内管６６，外管６８）は、Ｏリング７２、衝撃吸収材７８を介して接続されることになり、トランスファーチューブ９０の一方に接続される冷凍機の振動が、トランスファーチューブ９０の他方に接続される検出装置１０に伝達されるのを効果的に防止することができる。

図５には、Ｏリング７２に代えて、磁性流体シール８０を用いた例を示してある。この例では、円環状に磁性流体を配置することで、内管６６の外周面と外管６８の内周面の間をシールしている。磁性流体シール８０は、図６に示すように、適当数の軸方向に配置した磁石８２とその両側に接続される円環状の磁性体片８４ａ，８４ｂ有し、磁性体片８４ａ，８４ｂの先端に磁性流体８６を保持するものである。このような磁性流体シール８０によっても内管６６と外管６８の間をシールすることができる。なお、円環状の磁石を用いてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、別置きされている検出装置１０とコールドチャンバ４０間を接続するトランスファーチューブ９０の途中に高真空ＴＴ振動減衰器６０を配置し、トランスファーチューブ９０が高真空ＴＴ振動減衰器６０によって別部材に分離されている。そして、両部材の接合は、Ｏリング７２などの弾性シール材で行う。従って、一方側（コールドチャンバ４０側）からの振動及び音響ノイズはシール材によって大きく減衰され、他方側（検出装置１０側）に伝達し難くなる。シール材は、弾性体や流体であることが好ましい。さらに、シール材を用いることで、トランスファーチューブ９０内の真空を維持することが可能になり、トランスファーチューブ９０内の液体ヘリウム（４ＫＬ）や低温ヘリウムガス（４ＫＧ，４０ＫＧ，５０ＫＧ）の輸送管を真空断熱することが可能となる。

本実施形態では、図４に示すように、高真空ＴＴ振動減衰器６０の右側の外側パイプ６４ａが入れ子構造の内側、高真空ＴＴ振動減衰器６０の左側の外側パイプ６４ｂが入れ子構造の外側となる構造として右側の外側パイプ６４ａがコールドチャンバ４０に接続され、左側の外側パイプ６４ｂが検出装置１０に接続される構成であるが、右側の外側パイプ６４ａが入れ子構造の外側、高真空ＴＴ振動減衰器６０の左側の外側パイプ６４ｂが入れ子構造の内側となる構造としてもよい。

また、本実施形態では、トランスファーチューブ９０の途中に高真空ＴＴ振動減衰器６０を配置し、トランスファーチューブ９０と高真空ＴＴ振動減衰器６０とを別個のものとして説明しているが、高真空ＴＴ振動減衰器６０とトランスファーチューブ９０は互いに物理的に接続されているから、両者を併せて全体としてトランスファーチューブ９０ということができ、本発明には、高真空ＴＴ振動減衰器６０を備えるトランスファーチューブ９０が当然に含まれるものである。

１０検出装置、１２デュワ、１６熱シールドタンク、１８ａ，１８ｂ真空チャンバ、４０コールドチャンバ、４２冷凍機第１ステージ、４４冷凍機第２ステージ、４６凝縮器、６０高真空ＴＴ振動減衰器、６２熱シールド管、６４ａ，６４ｂ（６４）外側パイプ、６６内管、６８外管、７２Ｏリング、７４，７６フランジ、７８衝撃吸収材、８０磁性流体シール、８２磁石、８４ａ，８４ｂ磁性体片、８６磁性流体、９０トランスファーチューブ。

Claims

冷凍機と液体ヘリウム容器を接続するための低振動トランスファーチューブであって、
一方側からのチューブが他方側からのチューブの内側に同心状に延在する入れ子構造とし、
入れ子構造の外側のチューブの内壁と、入れ子構造の内側のチューブの外壁を１以上のシール部材で接合することにより両チューブの内側空間の真空を保持しつつ、トランスファーチューブを伝わる振動および音響ノイズを減衰させるとともに、
入れ子構造の外側のチューブの端部に第１フランジを形成するとともに、入れ子構造の内側のチューブの、前記第１フランジに対向する位置に第２フランジを設け、前記第１及び第２フランジ間に衝撃吸収特性の物質を介在させる低振動トランスファーチューブ。
請求項１に記載の低振動トランスファーチューブにおいて、
前記シール部材は、Ｏリングである低振動トランスファーチューブ。
請求項１に記載の低振動トランスファーチューブにおいて、
前記シール部材は、磁性流体シールである低振動トランスファーチューブ。