JP6588264B2

JP6588264B2 - 極低温冷媒供給システム

Info

Publication number: JP6588264B2
Application number: JP2015149194A
Authority: JP
Inventors: 潤一藤平; 秀幸藤平; 和訓渡邊; 誠一藤平
Original assignee: 株式会社フジヒラ
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2035-07-29
Also published as: JP2017031986A

Description

本発明は、超伝導センサなど液体ヘリウム温度で冷却して使用される磁気計測装置の冷却システムに関し、更に詳しくは、断熱配管が脱着自在に連結された極低温冷媒供給システムに関する。

係る極低温冷媒供給システムとしては、従来、脱着自在の配管を用いたシステムが知られている。例えば、以下の特許文献１には、液体ヘリウムなどの極低温冷媒を収容したデュアーと、被冷却体となる超電導コイルを収容した断熱容器とを断熱性の配管であるトランスファーチューブで接続すると共に、このトランスファーチューブを、第１のチューブと第２のチューブで構成し、これらを接続部で脱着自在に接続したシステムが開示されている（図１２）。

特開平５−７９６００号公報

ところで、前記特許文献１記載の極低温冷媒供給システムでは、その接続部が脱着自在の継手となっており、熱損失低減のため通常のステンレス鋼の代わりにセラミックを用い、熱侵入量を１／４に抑えている。しかしながら、セラミックの使用は材料コスト、組み立ての信頼性など課題が多い。また、更なる熱損失低減が要請されている。

そこで、本発明の目的は、これらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、特に極低温冷媒を供給する断熱配管部の継手部について優れた断熱性能を発揮できる新規な極低温冷媒供給システムを提供することにある。

前記課題を解決するために第１の発明は、極低温冷媒で冷却された被冷却体を装着する第１の断熱容器と、前記第１の断熱容器で気化したガスを冷凍機で再凝縮して極低温冷媒を生成する第２の断熱容器と、前記第２の断熱容器で生成された極低温冷媒を前記第１の断熱容器に導く断熱配管部とを有し、前記断熱配管部の途中に脱着自在の継手部を設け、前記継手部に、これを流れる極低温冷媒の一部を気化させたガスを抜き出すためのガス抜き管を設けたことを特徴とする極低温冷媒供給システムである。

このような構成によれば、断熱配管部を流れる極低温冷媒の一部を気化させ、これを継手部の断熱用ガスとして用いると共に、これをガス抜き管から抜き出すことができるため、その継手部に対して優れた断熱効果を発揮できる。また、気化させる極低温冷媒はごく少量で済み、かつガス抜き管から抜き出したガスを冷凍機で再凝縮して再利用できるため、抜き出したガスも無駄にならない。

第２の発明は、極低温冷媒で冷却された被冷却体を装着する第１の断熱容器と、前記第１の断熱容器に供給する極低温冷媒を貯蔵する第２の断熱容器と、前記第２の断熱容器内の極低温冷媒を前記第１の断熱容器に導く断熱配管部とを有し、前記断熱配管部の途中に脱着自在の継手部を設けると共に、前記継手部に、これを流れる極低温冷媒の一部を気化させたガスを抜き出すためのガス抜き管を設けたことを特徴とする極低温冷媒供給システムである。

このような構成によれば、断熱配管部を流れる極低温冷媒の一部を気化させ、これを継手部の断熱用ガスとして用い、これをガス抜き管から抜き出すことができるため、その継手部に対して優れた断熱性能を発揮できる。また、気化させる極低温冷媒はごく少量で済むため、コストも最小限に抑えることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記継手部が、軸心部に極低温冷媒を流す内管を有する凸状の細長管と、前記内管と突き合うように連通する内管を有すると共に前記凸状の細長管を小間隙を隔てて嵌合する凹状の細長管とからなり、前記内管を流れる極低温冷媒の一部が前記小間隙に流れるように前記各内管の突き合わせ端部間に極小間隙を形成して前記小間隙と連通し、前記小間隙を外部に対してシールすると共に、前記小間隙に前記ガス抜き管を接続したことを特徴とする極低温冷媒供給システムである。

このような構成によれば、各内管の突き合わせ端部間の極小間隙から、その内管を流れる極低温冷媒の一部が小間隙側に流れると共にこれが気化して冷却用のガスとなって小間隙を流通し順次ガス抜き管から抜き出されるため、細長管の高温側から低温側への伝導熱を抑制することができる。

第４の発明は、第３の発明において、前記凸状の細長管の外側に紐またはテープ状のスペーサーを螺旋状に巻き付けたことを特徴とする極低温冷媒供給システムである。このような構成によれば、凸状の細長管の外側に一定間隔の小間隙を均一に形成できると共に、その小間隙をこのスペーサーに沿って螺旋状に流れるため、ムラのない均一な断熱効果を発揮できる。

第５の発明は、第３または第４の発明において、前記凸状および凹状の細長管の中間部に前記内管を覆うように断熱配管内の輻射シールドを接続させたことを特徴とする極低温冷媒供給システムである。このような構成によれば、前記凸状の細長管の外側に形成される小間隙内の断熱性ガスと共に内管への外部入熱をより効果的に抑制できる。

本発明の極低温冷媒供給システムによれば、断熱配管部を流れる極低温冷媒の一部を気化させ、これを継手部の断熱用ガスとして用いると共に、これをガス抜き管から順次抜き出すことができるため、その継手部に対して優れた断熱効果を発揮できる。また、気化させる極低温冷媒はごく少量で済み、かつガス抜き管から抜き出したガスを冷凍機で再凝縮して再利用できるため、無駄になることもない。これにより、高性能を要求される断熱配管の複雑な施工を信頼性の高いものにすることができる。また、熱損失を低減することにより、経済性の高い極低温冷媒供給システムを実現できる。

本発明に係る極低温冷媒供給システム１００の実施の一形態を示す全体構成図である。断熱配管部１３０の継手部５０を示す部分拡大図である。断熱配管部１３０の継手部５０の分解図である。凸状の細長管の先端付近を示す部分拡大図である。本発明に係る極低温冷媒供給システム１００の他の実施形態を示す全体構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る極低温冷媒供給システム１００の実施の一形態を示したものである。図示するように、この極低温冷媒供給システム１００は、大別して磁気センサ１０を装着する第１の断熱容器１１０と、小型冷凍機３７を内蔵する第２の断熱容器１２０と、この第２の断熱容器１２０の液体ヘリウム１１を前記第１の断熱容器１１０に導く断熱配管部１３０とから構成されている。そして、第１の断熱容器１１０の磁気センサ１０を極低温冷媒である液体ヘリウム１１で冷却し、気化したヘリウムガスを回収して小型冷凍機３７で再液化するといった閉サイクルを構成している。

この磁気センサ１０は、例えば極低温状態で動作するＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）などであり、生体から発生する極めて微弱な磁場を計測することができる。そのため、外部からの電磁ノイズを低減すべく一般に高透磁率材からなる図示されていない磁気シールド室内に置かれた第１の断熱容器１１０に設置されている。

この第１の断熱容器１１０は、極低温冷媒として大気圧沸点が４．２Ｋの液体ヘリウム１１を収納する内槽１２と、それを取り囲む４０〜１５０Ｋの中間温度に保たれたシールド１３と、これらを取り囲む外槽１４とから構成されており、内槽１２と外槽１４との空隙１５は断熱のために真空状態に保たれている。

この内槽１２内で気化したヘリウムガスは、排気管１６からバルブ１７および流量計１８を経て外部に放出され、ポンプや圧縮機などを主要要素とする循環装置１９が設けられた回収ガス配管２０を流れて第２の断熱容器１２０に戻されるようになっている。なお、この回収ガス配管２０には、その他に安全弁２１やバルブ２２付きのガス供給源２３などが接続されている。

第２の断熱容器１２０は、極低温冷媒である液体ヘリウム１１を貯蔵する内槽３１と、それを部分的に取り囲む銅製の輻射シールド３２および真空空間３３を形成する外槽３４とから構成されている。内槽３１には、ヘリウムガスを再液化（凝縮）するための小型冷凍機３７の本体３５が装着されると共に、外槽３４の上部にはその冷凍機動作用のバルブ駆動部３６が設置されており、図示されていない圧縮装置に接続されている。

さらにこの小型冷凍機３７の本体３５の中間温度ステージ部４１の位置には、輻射シールド３２が取り付けられ冷却される。更により低い温度発生部であるコールドステージ４２には、凝縮器４３が設けられており、回収ガス配管２０から供給されたヘリウムガスがここで再液化されて液体ヘリウム１１が生成される。

この第２の断熱容器１２０で生成された液体ヘリウム１１は、断熱配管部１３０を経由して第１の断熱容器１１０に供給されるようになっている。この断熱配管部１３０のほぼ中間部には、着脱可能な継手部５０が設けられている。この断熱配管部１３０の主構成部材はこの継手部５０で連通される内管５１ａ、５１ｂであり、さらにその外側には、それぞれ輻射シールド５２ａ、５２ｂが延伸されていて断熱の作用をなしている。

さらにこの第２の断熱容器１２０側に接続される内管５１ａの周囲は、この第２の断熱容器１２０の外槽３４と連結する外管５３ａで覆われており、その間隙は真空空間３３と連通している。また、第１の断熱容器１１０側に接続する内管５１ｂの周囲は、外管５３ｂで覆われている。そして、この継手部５０には、後述するように内管５１ａ、５１ｂから流出したガスを取り出すためのガス抜き管５４が接続されている。このガス抜き管５４は、回収ガス配管２０に合流するように連結されており、その途中には流量調節のためのバルブ５５と流量計５６が順次設けられている。

図２は、この断熱配管部１３０の継手部５０を示した詳細断面図であり、図３はその分解図である。図示するように第２の断熱容器１２０側に接続される外管５３ａの端部には、これと同軸上に延びるように凸状の細長管６０が設けられており、その凸状の細長管６０の端部は、その軸心部に位置する内管５１ａの端部と連結されている。

一方、第１の断熱容器１１０に接続されている外管５３ｂの端部には、これよりその内側に凹むように凹状の細長管６１が設けられていると共に、この凹状の細長管６１と連通するようにこれと同口径の管状アダプタ６２が設けられている。そして、この管状アダプタ６２と凹状細長管６１内に、第２の断熱容器１２０側の凸状細長管６０が、例えば０．２〜０．５ｍｍ程度の狭い間隙（小間隙）６８を保って嵌合可能に接続される構造となっている。

すなわち、図４に示すようにこの凸状細長管６０のその外面には、樹脂などの断熱性材料からなる紐またはテープ状のスペーサー６６が螺旋状に巻き付けられており、このスペーサー６６によって凸状細長管６０と凹状細長管６１との間に一定間隔の小間隙６８が維持形成されるようになっている。

このため、この凸状細長管６０の端部と、凹状細長管６１の端部とは互いに突き合わせ状態になっているが、その端部同士は完全に密着した状態ではなく、例えば０．数ｍｍ程度の極僅かな間隔（極小間隙）６９を隔てて位置している。そのため、内管５１ａ、５１ｂ内とこの小隙間６８とは、その突き合わせ端間の極小間隙６９を介して連通した状態となっている。

管状アダプタ６２の端部には、Ｏリング６４がこれを支持するカラー６５とネジで締結可能なキャップ６３とによって取り付けられており、このＯリング６４によって凸状細長管６０と凹状細長管６１との間に形成される小間隙６８を塞いで外部に対して気密に保つように密封している。そして、この管状アダプタ６２にこの小間隙６８と連通するようにして前記のガス抜き管５４が接続されている。

また、各輻射シールド５２ａ、５２ｂの端部は、それぞれの内管５１ａ、５１ｂを覆うような状態でそれぞれ細長管６０および６１の低温端から離れた位置に接して取り付けられており、小間隙６８を流れる低温の流体で冷却するようになっている。

次に、このような構成をした本発明に係る極低温冷媒供給システム１００の作用を説明する。図１に示すように第２の断熱容器１２０で生成された液体ヘリウム１１は、断熱配管部１３０を介して第１の断熱容器１１０側へ供給されて磁気センサ１０を冷却する。一方、第１の断熱容器１１０で気化したヘリウムガスは、排気管１６から排気された後、回収ガス配管２０を介して第２の断熱容器１２０内へ回収され、その小型冷凍機３７で再凝縮されて液体ヘリウム１１となって循環利用される。

このようにして第１の断熱容器１１０側へ供給される液体ヘリウム１１は、断熱配管部１３０の継手部５０を順次通過することになるが、このとき継手部５０が従来のような構造であるとその部分からの侵入熱が大きいため、この部分で発生したヘリウムガスが液体ヘリウム１１と共にそのまま第１の断熱容器１１０へ流れ込んでしまう。

これに対し、本発明システム１００の継手部５０は、気化したヘリウムガスを断熱用のガスとして利用すると共に、その気化したヘリウムガスをこの部分に接続されたガス抜き管５４を介して抜き出すため、優れた断熱性能を発揮できると共に、ヘリウムガスが液体ヘリウム１１と共にそのまま第１の断熱容器１１０へ流れ込んでしまう量を大幅に減少することができる。

すなわち、図２に示すように第２断熱容器側の内管５１ａから第１断熱容器１１０の内管５１ｂ側へ流れる液体ヘリウム１１の一部は、その端部間の極小隙間６９から小隙間６８へ流れ出すと共に、侵入熱によって気化してヘリウムガスとなってその小隙間６８を高温部（管状アダプタ６２）方向に螺旋状に流れた後、ガス抜き管５４から順次抜き出される。このように流れるヘリウムガスによってその継手部５０への侵入熱を防止するため、内管５１ａ、５１ｂ内でのガスの発生が大幅に抑制されて液体ヘリウム１１を効率的に第１断熱容器１１０側に供給することができる。つまり、小間隙６８に低温の流体（ヘリウムガス）を積極的に通すことにより、室温部からの継手部５０への侵入熱をその流体に伝えてガスと共に外に取り出すことができるので、熱伝導による侵入熱を従来よりも大幅に減少、例えば１／１０以下にすることができる。

また、ガス抜き管５４から抜き出されたヘリウムガスは、第１断熱容器１１０で発生したヘリウムガスと共に液化されて再利用されるため、無駄になることもない。さらに、この継手部５０で気化したヘリウムガスがスペーサー６６に沿ってその小隙間６８を螺旋状に流れることで小隙間６８をムラなく均一に断熱することが可能となる。

なお、これら細長管６０および６１の材質は、従来のようにステンレススチールのような金属であっても良いが、低熱伝導性のガラス繊維強化樹脂にすれば、さらに侵入熱を抑制できると共に、第１の断熱容器１１０と第２の断熱容器１２０間を電気的に絶縁することもできるため、第２の断熱容器１２０から第１の断熱容器１１０への電磁ノイズの伝搬も抑えることができる。

また、第２断熱容器１３０に備えられる小型冷凍機３７の種類としては特に限定されるものではないが、パルスチューブ式の小型冷凍機を用いることが望ましい。すなわち、パルスチューブ冷凍機は高圧と低圧のヘリウムガスを中空の管に交互に給排して一端の温度を下げる方式であり、低温側に可動部分がないのが特徴である。従って、振動がないためノイズが少なく、また、２段式パルスチューブ冷凍機の第１段目では約４０Ｋを発生するので導入したヘリウムガスの予冷や輻射シールドの冷却に適する。

２段式にすれば、第２段目で４.２Ｋ以下に下げることができるので予冷されたヘリウムガスを容易に液化できる。パルスチューブ冷凍機に必要とされる冷凍能力は二つの断熱容器１１０及び１２０における熱負荷のほかに、断熱配管部１３０での侵入熱なども補償しなければならない。現在市販品として入手できる小型冷凍機の能力には限界があるので、各部の断熱性能は閉サイクルシステム実現の鍵になっている。

冷凍機は電気的、機械的ノイズの源であり、隔離のため、シールドルームの外に配置する。従来は断熱配管部１３０が一体であったので、シールドルームの壁を貫通して組み立てる必要があり作業信頼性が良くなかった。配管を分割方式にすることも考えられるが、継手部の熱損失が大きく、高コストという問題があったが、本発明のように構成すれば施工性が良くなり、低コストでかつ信頼性が向上する。

また、被冷却体である磁気センサ１０のシステムが小規模の場合、必要な液体ヘリウム１１はガス供給源２３からのガスを液化して確保することができる。大規模システムでは、最初だけ別途準備した液体ヘリウムを図示していない供給管を通して外部から供給するようにしても良い。

図５は、本発明に係る極低温冷媒供給システム１００の他の実施の形態を示したものであり、各部の詳細構造は次の点を除いて図１に示す実施の形態と同一である。すなわち、本実施の形態では、前記実施の形態のように小型冷凍機３７を内蔵した第２の断熱容器１２０に対応する断熱容器として液体ヘリウム１１の貯槽１５０としたことである。

従って、断熱配管部１３０はいわゆる液体ヘリウム汲み出し管と同じである。この貯槽１５０は液体ヘリウム１１を収容する内槽７１と、それを取り囲む４０〜１５０Ｋの中間温度に保たれたシールド７２と、これらを取り囲む外槽７３で構成されており、内槽７１と外槽７３の空間７４は断熱のために真空に保たれている。内槽７１に連通する給排管７５にはバルブ７６が備えられており、液体ヘリウム１１の補給、気化したヘリウムガスの排出に使用される。

さらに、この給排管７５には、バルブ７７付きのガス供給源７８が接続されており、液体ヘリウム移送のための内槽７１内の加圧を行うことができるようになっている。また、断熱配管部１３０の貯槽１５０側は、内管８０と、輻射シールド８１と、外管８２とから構成されており、内部は真空に保たれ、内管８０の一端は内槽７１の底部まで挿入される。継手部５０は前記第１の実施の形態と同じ構造となっている。

通常、運搬用貯蔵容器に貯められた液体ヘリウムは、短時間で別の容器に移し替えられるので移送用断熱配管の断熱性能はそれほど問題とはならず、輻射シールド５２ｂ、８１およびガス抜き管５４は不要である。これに対し、第１の断熱容器１１０の熱負荷が小さく且つ大容量の貯槽がないため、少量の液体ヘリウムを長時間に渡って供給し続ける必要がある場合、断熱配管部１３０の断熱性能向上が重要となる。本実施の形態の場合はそのようなケースに効果的であり、前記第１の実施の形態と同様に高価な液体ヘリウムの消費量を抑えることができて経済的である。

本発明は超伝導センサを適用した磁気計測装置、核磁気共鳴装置などに最適な冷却システムとして利用できる。

１００…極低温冷媒供給システム
１１０…第１の断熱容器
１２０…第２の断熱容器
１３０…断熱配管部
１５０…第２の断熱容器（貯槽）
１０…被冷却体（磁気センサ）
１１…極低温冷媒（液体ヘリウム）
３７…小型冷凍機（パルスチューブ冷凍機）
５０…継手部
５１ａ、５１ｂ、８０…内管
５２ａ、５２ｂ、８１…輻射シールド
５３ａ、５３ｂ、８２…外管
５４…ガス抜き管
６０…凸状の細長管
６１…凹状の細長管
６６…紐またはテープ状のスペーサー
６８…小隙間
６９…極小隙間

Claims

極低温冷媒で冷却された被冷却体を装着する第１の断熱容器と、
前記第１の断熱容器に供給する極低温冷媒を貯蔵する第２の断熱容器と、
前記第２の断熱容器内の極低温冷媒を前記第１の断熱容器に導くための内管を有する断熱配管部と、
前記断熱配管部の途中に設けられた継手部とを備え、
前記継手部は、
前記第２断熱容器側の内管を軸心部に有する凸状の細長管と、前記第１断熱容器側の内管を軸心部に有する凹状の細長管とを有し、
前記凸状の細長管を凹状の細長管に嵌合して前記各内管の突き合わせ端部間に極小間隙を形成すると共に前記凸状の細長管の周囲に前記極小間隙と連通する小間隙を形成し、
前記小間隙を外部に対してシールすると共に、前記小間隙にガス抜き管を接続したことを特徴とする極低温冷媒供給システム。
請求項１に記載の極低温冷媒供給システムにおいて、
前記凸状の細長管の外側に紐またはテープ状のスペーサーを螺旋状に巻き付けたことを特徴とする極低温冷媒供給システム。
請求項１または２に記載の極低温冷媒供給システムにおいて、
前記凸状および凹状の細長管の中間部に前記内管を覆うように断熱配管内の輻射シールドを接続させたことを特徴とする極低温冷媒供給システム。
請求項１乃至３のいずれかに記載の極低温冷媒供給システムにおいて、
前記第１の断熱容器に回収ガス配管を接続すると共に、当該回収ガス配管に前記ガス抜き管を連結したことを特徴とする極低温冷媒供給システム。