JP7453029B2

JP7453029B2 - 極低温冷凍機および生体磁気計測装置

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Publication number: JP7453029B2
Application number: JP2020051781A
Authority: JP
Inventors: 俊一松本; 邦夫風見; 潤近藤; 寛久保田; 高裕梅野
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp; Ricoh Co Ltd
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: JP2021148405A

Description

本発明は、極低温冷凍機および生体磁気計測装置に関する。

従来、例えば、特許文献１には、冷凍機で冷却された冷媒をクライオスタットに導入するトランスファーチューブを備える構成が記載されている。

脳磁計や脊磁計などの生体磁気計測装置では、例えば、超電導量子干渉素子のような高感度磁気センサを用い、超電導状態を保つために冷媒として液体ヘリウムが使われる。あるいは、極低温での物性測定においても冷媒として液体ヘリウムが使われる。液体ヘリウムは容易に気化するため、上記のような装置において計測を経済的かつ継続的に使用するには、極低温冷凍機を使ってヘリウム循環することが必要である。

ここで、極低温冷凍機では、低温を保持する保温部（クライオスタット）と、保温部から液体ヘリウムを送る移送管（トランスファーチューブ）を備える構成がある。この構成の極低温冷凍機では、長時間の運転でヘリウムを主成分とする循環ガス中に含まれる微量の不純物（窒素、酸素、水など）が冷却部の低温部分に吸着し固化される。この不純物は、冷却部の熱変換を阻害するため、再凝縮能力を低下させる。また循環系に微量の漏れなどがあると大気中から継続的に不純物が供給されることがあり、経時的に再凝縮能力を低下させる。一方、極低温冷凍機の運転を停止すると、冷却部の低温部分に固着した不純物の成分が、冷却部の温度上昇と共に液状化または気化して移送管に流れ込み、移送管の先が接続された生体磁気計測装置などのデュワにて再冷却されて固体となることで移送管を閉塞させるおそれがある。このため、ヘリウム循環の運転・停止を繰り返すような極低温冷凍機にあって、運用の信頼性を損なうおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、冷媒に含まれる不純物の影響を抑制することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の極低温冷凍機は、冷媒を冷却する冷却部と、前記冷却部で冷却された前記冷媒を受ける受部と、前記受部に連通する移送管と、前記受部と前記移送管との間に設けられて前記冷媒を貯める貯留部と、を備え、前記貯留部は、前記受部の底に前記移送管の上端が延びて形成され、かつ、前記受部の底を前記移送管との接続部分に向けて下方に窄まるように形成されている。

本発明によれば、冷媒に含まれる不純物の影響を抑制できる。

図１は、生体磁気計測装置の一例を示す概略構成図である。図２は、ヘリウム循環システムの一例を示す概略構成図である。図３は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の駆動時のフローチャートである。図４は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の駆動時の動作図である。図５は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の停止時のフローチャートである。図６は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の停止時の動作図である。図７は、極低温冷凍機の要部拡大図である。図８は、ヘリウム循環システムの動作を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、極低温冷凍機および生体磁気計測装置の実施形態を詳細に説明する。

図１は、生体磁気計測装置の一例を示す概略構成図である。

生体磁気計測装置１００は、生体情報計測装置であって、脳機能測定装置（測定装置ともいう）１０１と、情報処置装置１０２とを備えている。

脳機能測定装置１０１は、測定対象である被検者１１０の臓器である脳の脳磁図（ＭＥＧ：Magneto-encephalography）信号を測定する脳磁計である。脳機能測定装置１０１は、被検者１１０の頭部が挿入されるデュワ１を有する。デュワ１は、被検者１１０の頭部のほぼ全域を取り囲むヘルメット型のセンサ収納型デュワである。デュワ１は、液体ヘリウムを用いた極低温環境の真空断熱装置である。デュワ１は、その内部に脳磁測定用の多数の磁気センサ２が配置されている。磁気センサ２は、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）が用いられる。脳機能測定装置１０１は、磁気センサ２からの脳磁信号を収集する。脳機能測定装置１０１は、収集された生体信号を情報処置装置１０２に出力する。

情報処置装置１０２は、複数の磁気センサ２からの脳磁信号の波形を、時間軸上に表示する。脳磁信号は、神経細胞の電気的な活動（シナプス伝達の際にニューロンの樹状突起で起きるイオン電荷の流れ）により誘起されるもので脳の電気活動により生じた微小な磁場変動を表わす。

図２は、ヘリウム循環システムの例を示す概略構成図である。

上述した脳機能測定装置１０１は、真空断熱装置であるデュワ１を極低温環境とするためのヘリウム循環システム１０を含む。ヘリウム循環システム１０は、極低温冷凍機１１と、デュワ１、蒸発ガス回収部（バッファタンク）１３と、蒸発ガス回収管１４と、保管ガス供給管１５と、循環用配管１６と、制御部１９と、を備える。

極低温冷凍機１１は、パルス管冷凍機を構成するもので、冷却部２１と、受部２２と、保温部２３と、移送管２４と、駆動系循環部２５と、温度計２６と、を有する。

冷却部２１は、本体部２１Ａと、円筒状の第一シリンダ部２１Ｂと、円筒状の第二シリンダ部２１Ｃと、円板状の第一コールドステージ２１Ｄと、円板状の第二コールドステージ２１Ｅと、を備える。本体部２１Ａは、冷却部２１の基部であり、最上部に配置される。第一シリンダ部２１Ｂは、本体部２１Ａから下方に延びて設けられている。第二シリンダ部２１Ｃは、第一シリンダ部２１Ｂよりも下方に延びて設けられている。第一コールドステージ２１Ｄは、第一シリンダ部２１Ｂと第二シリンダ部２１Ｃとの間に設けられている。第二コールドステージ２１Ｅは、第二シリンダ部２１Ｃの延びた下端に設けられている。

受部２２は、上端が開放し、下端に底２２Ａを有する皿状に形成されている。受部２２は、冷却部２１の直下に配置される。

保温部２３は、真空断熱をしたクライオスタットであり、例えば、ステンレスまたはガラス繊維強化樹脂により筒状に形成され、上端が開放し、下端に底２３Ａを有する。保温部２３は、内部に冷却部２１が収容され冷却部２１の外周を間隔を空けて囲むように設けられる。保温部２３は、上端が冷却部２１の本体部２１Ａにより密閉される。また、受部２２は、保温部２３の内部に配置される。保温部２３は、内部の温度を保つように機能する。

移送管２４は、上端２４ａが受部２２の底２２Ａに接続され、受部２２に連通して設けられている。移送管２４は、受部２２の底２２Ａから下方に延び、保温部２３の内部を通って下端２４ｂが下方に向けて設けられている。保温部２３は、底２３Ａが移送管２４の外周を間隔を空けて囲むように移送管２４と共に下方に延びて形成されている。移送管２４は、その下端２４ｂが脳機能測定装置１０１のデュワ１に接続されている。移送管２４は、冷却部２１からデュワ１に液体冷媒を送る第一経路ともいう。

駆動系循環部２５は、コンプレッサである圧縮機２５Ａと、動作部であるバルブモータ２５Ｂと、を有する。圧縮機２５Ａは、圧縮ガスを圧縮する。圧縮ガスは、例えばヘリウムガスである。圧縮機２５Ａで圧縮された圧縮ガスは、バルブモータ２５Ｂに供給される。バルブモータ２５Ｂは、冷却部２１の本体部２１Ａに対し、圧縮ガスを間欠供給するように開閉を切り替える。駆動系循環部２５は、バルブモータ２５Ｂの切り替えにより圧縮機２５Ａと冷却部２１との間で圧縮ガスが循環される。冷却部２１は、この圧縮ガスの間欠供給により、起動し、第一コールドステージ２１Ｄおよび第二コールドステージ２１Ｅで冷熱を発生する。なお、圧縮機２５Ａは、水冷または空冷により排熱する。

温度計２６は、保温部２３の内部の温度を計測するもので、例えば、受部２２や冷却部２１における第二コールドステージ２１Ｅなどの近傍の温度を計測する。すなわち、温度計２６は、保温部２３の内部において受部２２（後述する貯留部２７）や冷却部２１の温度を計測する。

この極低温冷凍機１１は、その駆動時に、保温部２３の内部であって冷却部２１にガス冷媒が供給される。ガス冷媒は、例えばヘリウムガスであり、第一コールドステージ２１Ｄおよび第二コールドステージ２１Ｅで発生する冷熱により冷却されることで液化されて液体冷媒である液体ヘリウムとなり、受部２２の底２２Ａに至り滴下して纏められる。受部２２の底２２Ａに纏められた液体ヘリウムは、移送管２４を経て保温部２３の外部に送られ、脳機能測定装置１０１のデュワ１内部のヘリウム槽に供給される。これにより、脳機能測定装置１０１のデュワ１の液体ヘリウムが保持される。デュワ１の内部の液体ヘリウムは外部からの熱侵入によって徐々に蒸発してヘリウムガス（蒸発ガスともいう）となる。

蒸発ガス回収部１３は、デュワ１で蒸発した蒸発ガスを回収し貯えて保管するための圧力容器である。

蒸発ガス回収管１４は、デュワ１と蒸発ガス回収部１３との間を接続する配管である。蒸発ガス回収管１４は、第一蒸発ガス回収管１４Ａと、第二蒸発ガス回収管１４Ｂと、を有する。

第一蒸発ガス回収管１４Ａは、一端１４Ａａがデュワ１に接続され、他端１４Ａｂが蒸発ガス回収部１３に接続されている。第一蒸発ガス回収管１４は、デュワ１から蒸発ガス回収部１３に蒸発ガスを送るため、途中にコンプレッサであるポンプ１４Ａｃが設けられている。また、第一蒸発ガス回収管１４Ａは、蒸発ガスの送りを開閉するため、ポンプ１４Ａｃよりも一端１４Ａａ側に第一開閉弁１４Ａｄが設けられている。第一開閉弁１４Ａｄは、制御部１９により制御される。第一蒸発ガス回収管１４Ａは、デュワ１から蒸発ガス回収部１３に直接蒸発ガスを送る第二経路ともいう。

第二蒸発ガス回収管１４Ｂは、第一蒸発ガス回収管１４Ａの途中と、冷却部２１の保温部２３の内部との間を接続する配管である。第二蒸発ガス回収管１４Ｂは、一端１４Ｂａが第二蒸発ガス回収管１４Ｂの一端１４Ａａと開閉弁１４Ａｄとの間に接続され、他端１４Ｂｂが保温部２３に接続されている。本実施形態では、第二蒸発ガス回収管１４Ｂは、他端１４Ｂｂが保管ガス供給管１５の一部を介して保温部２３に接続されている。第二蒸発ガス回収管１４Ｂは、蒸発ガスの送りを開閉するため、途中に第二開閉弁１４Ｂｃが設けられている。第二開閉弁１４Ｂｃは、制御部１９により制御される。また、第二蒸発ガス回収管１４Ｂは、第二開閉弁１４Ｂｃよりも他端１４Ｂｂ側に排気弁（排気部）１４Ｂｄが設けられている。排気弁１４Ｂｄは、制御部１９により制御される。排気弁１４Ｂｄは、第二蒸発ガス回収管１４Ｂおよび保管ガス供給管１５の一部を介して保温部２３に接続されている。

保管ガス供給管１５は、蒸発ガス回収部１３と冷却部２１との間を接続する配管である。保管ガス供給管１５は、一端１５ａが蒸発ガス回収部１３に接続され、他端１５ｂが極低温冷凍機１１の冷却部２１に接続されている。保管ガス供給管１５は、蒸発ガス回収部１３から冷却部２１に蒸発ガス回収部１３で保管された蒸発ガス（保管ガス）を送るため、途中にポンプ１５ｃが設けられている。また、保管ガス供給管１５は、蒸発ガスの送りを開閉するため、ポンプ１５ｃよりも他端１５ｂ側に開閉弁１５ｄが設けられている。開閉弁１５ｄは、制御部１９により制御される。また、保管ガス供給管１５は、蒸発ガスの送りを開閉するため、ポンプ１５ｃよりも一端１５ａ側に開閉弁１５ｅが設けられている。開閉弁１５ｅは、制御部１９により制御される。保管ガス供給管１５は、蒸発ガス回収部１３から冷却部２１に蒸発ガスを送る第三経路ともいう。

循環用配管１６は、蒸発ガス回収管１４の途中と保管ガス供給管１５の途中とを接続する配管である。循環用配管１６は、一端１６ａが蒸発ガス回収管１４の開閉弁１４Ａｄと開閉弁１４Ｂｃとの間に接続され、他端１６ｂが保管ガス供給管１５の開閉弁１５ｅとポンプ１５ｃとの間に接続されている。循環用配管１６は、デュワ１から冷却部２１に直接蒸発ガスを送るバイパス経路ともいう。

制御部１９は、ヘリウム循環システム１０を制御するもので、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および記憶装置などを備えた演算装置である。制御部１９は、極低温冷凍機１１の圧縮機２５Ａと、蒸発ガス回収管１４のポンプ１４Ａｃおよび各開閉弁１４Ａｄ，１４Ｂｃおよび排気弁１４Ｂｄと、保管ガス供給管１５のポンプ１５ｃ、開閉弁１５ｄおよび開閉弁１５ｅと、の動作を制御する。また、制御部１９は、極低温冷凍機１１の温度計２６により計測された温度を取得する。

ここで、ヘリウム循環システム１０の動作を説明する。図３は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の駆動時のフローチャートである。図４は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の駆動時の動作図である。図５は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の停止時のフローチャートである。図６は、ヘリウム循環システムの極低温冷凍機の停止時の動作図である。

図３に示すように、極低温冷凍機１１の駆動時において、制御部１９は、蒸発ガス回収管１４のポンプ１４ｃを停止すると共に第一開閉弁１４Ａｄおよび第二開閉弁１４Ｂｃおよび排気弁１４Ｂｄを閉鎖する（ステップＳ１）。また、制御部１９は、保管ガス供給管１５のポンプ１５ｃを駆動すると共に開閉弁１５ｄおよび開閉弁１５ｅを開放する（ステップＳ２）。そして、制御部１９は、極低温冷凍機１１の冷却部２１を駆動する（ステップＳ３）。これにより、図４に示すように、ヘリウム循環システム１０は、保管ガス供給管１５を介して蒸発ガス回収部１３から冷却部２１にガス冷媒を送ると共に、蒸発ガス回収管１４の第一蒸発ガス回収管１４Ａの一部および循環用配管１６を介してデュワ１から冷却部２１にガス冷媒を送り、冷却部２１にてガス冷媒を冷却して液体冷媒とし、デュワ１に送る。なお、ステップＳ１からＳ３の動作は同時に行ってもよい。

また、図５に示すように、極低温冷凍機１１の停止時において、制御部１９は、極低温冷凍機１１の冷却部２１を停止する（ステップＳ１１）。また、制御部１９は、保管ガス供給管１５のポンプ１５ｃを停止すると共に開閉弁１５ｄおよび開閉弁１５ｅを閉鎖する（ステップＳ１２）。また、制御部１９は、蒸発ガス回収管１４の第一開閉弁１４Ａｄを開放し第二開閉弁１４Ｂｃおよび排気弁１４Ｂｄを閉鎖してポンプ１４ｃを駆動する（ステップＳ１３）。これにより、図６に示すように、ヘリウム循環システム１０は、蒸発ガス回収管１４の第一蒸発ガス回収管１４Ａを介してデュワ１から蒸発ガス回収部１３にガス冷媒を送り、蒸発ガス回収部１３で回収する。なお、ステップＳ１１からＳ１３の動作は同時に行ってもよい。

本実施形態のヘリウム循環システム１０では、例えば、午後５時から翌日午前９時までの脳機能測定装置１０１を使用しない時、図３および図４に示す動作を行って、冷却部２１にてガス冷媒を冷却して液体冷媒とし、デュワ１に送る。また、本実施形態のヘリウム循環システム１０では、例えば、午前９時から午後５時までの脳機能測定装置１０１を使用する時、図５および図６に示す動作を行って、デュワ１から蒸発ガス回収部１３にガス冷媒を送り、蒸発ガス回収部１３で回収する。従って、本実施形態のヘリウム循環システム１０は、脳機能測定装置１０１を使用する計測時に、極低温冷凍機１１を停止させ、脳機能測定装置１０１への極低温冷凍機１１の振動による影響を防ぎ、脳機能測定装置１０１を使用せず計測しない時に、極低温冷凍機１１を駆動させ、デュワ１を極低温環境にできる。

図７は、極低温冷凍機の要部拡大図である。

極低温冷凍機１１は、上述したように、ガス冷媒を冷却する冷却部２１と、冷却部２１で冷却された液体冷媒Ｒを纏める受部２２と、受部２２に連通する移送管２４と、を備える。また、極低温冷凍機１１は、受部２２と移送管２４との間に設けられて冷却部２１で冷却された液体冷媒Ｒを貯める貯留部２７を備える。

貯留部２７は、図７に示すように、受部２２の底２２Ａが、移送管２４との接続部分に向けて下方に窄まるように形成され、かつ移送管２４の上端２４ａが受部２２の底２２Ａを上方に突き抜けて受部２２の底２２Ａの上方に延びて形成されていることで、受部２２で纏められた液体冷媒Ｒが移送管２４の上端２４ａの位置まで貯まるように構成されている。

このように、貯留部２７は、受部２２と移送管２４との間で液体冷媒Ｒを貯めることができる。

上述したように、極低温冷凍機１１では、冷却部２１などに吸着して固化した窒素、酸素、水などの不純物Ｓが温度上昇と共に液状化あるいは気化して移送管２４に流れ込む可能性がある。本実施形態の極低温冷凍機１１では、貯留部２７を設けたことで、図７に示すように、液体冷媒Ｒよりも比重が重い不純物Ｓは、貯留部２７に貯まった液体冷媒Ｒの下側であって、貯留部２７の底（受部２２の底２２Ａ）に貯まり、移送管２４の上端２４ａから離隔される。このため、本実施形態の極低温冷凍機１１は、不純物Ｓを固化した状態で留めることで移送管２４へ流れ込むことを防ぐ。そして、本実施形態の極低温冷凍機１１は、液状化あるいは気化した不純物Ｓが移送管２４の中または端部で再冷却により固化し、移送管２４が閉塞することを防止できる。また、本実施形態の極低温冷凍機１１は、不純物Ｓが冷却部２１に固着したままとしないため、冷却部２１の熱変換を阻害することなく、再凝縮能力の低下を防ぐ。この結果、本実施形態の極低温冷凍機１１は、冷媒に含まれる不純物の影響を抑制できる。

本実施形態の極低温冷凍機１１では、貯留部２７は、受部２２の底２２Ａに移送管２４の上端２４ａが延びて形成されているため、簡易に構成できる。なお、本実施形態の極低温冷凍機１１では、貯留部２７は、受部２２の底２２Ａを移送管２４との接続部分に向けて下方に窄まるように形成されているため、混入物Ｓが貯まる貯留部２７の最も深い部分から移送管２４の上端２４ａまでの距離を長くでき、混入物Ｓが移送管２４へ流れ込むことをより防げる。

また、本実施形態の極低温冷凍機１１では、貯留部２７は、冷却部２１の直下に配置される。このため、本実施形態の極低温冷凍機１１は、冷却部２１に吸着して固化した不純物Ｓを確実に受けることができる。

ところで、図８は、極低温冷凍機の動作を示すフローチャートである。本実施形態の極低温冷凍機１１では、制御部１９において、温度計２６で計測された冷却部２１または貯留部２７の温度を取得している。制御部１９は、取得した温度が所定温度以上となった場合、排気部の排気弁１４Ｂｄを開放する。具体的に、図８に示すように、極低温冷凍機１１において、制御部１９は、本制御以外において排気弁１４Ｂｄを閉鎖している（ステップＳ２１：図４および図６参照）。そして、制御部１９は、図６に示すように冷却部２１を停止しているとき（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、温度計２６で計測された温度が所定温度以上である場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、排気弁１４Ｂｄ開放する（ステップＳ２４）。所定温度とは、不純物Ｓの成分が気化し得る温度である。なお、ステップＳ２２において、冷却部２１の停止とは圧縮された圧縮ガスが供給されていないことを意味し、冷却部２１の駆動とは圧縮された圧縮ガスが供給されていることを意味する。そして、制御部１９は、ステップＳ２２において、冷却部２１を駆動しているときは（ステップＳ２２：Ｎｏ）、ステップＳ２１に戻る。また、制御部１９は、ステップＳ２３において、温度計２６で計測された温度が所定温度以上でない場合は（ステップＳ２３：Ｎｏ）、温度計２６で計測された温度を継続して取得する。

このように、本実施形態の極低温冷凍機１１は、冷却部２１および貯留部２７を収容する保温部２３と、冷却部２１または貯留部２７の温度を計測する温度計２６と、保温部２３に接続された排気部である排気弁１４Ｂｄと、温度計２６が計測した温度が所定温度以上となった場合に排気部２６を開放する制御部１９と、を備える。この極低温冷凍機１１によれば、不純物Ｓの成分が気化した場合、この不純物Ｓの成分を保温部２３の外部に排出できる。この結果、本実施形態の極低温冷凍機１１は、不純物Ｓが移送管２４の中で再冷却により固化し、移送管２４が閉塞することを防止できる。なお、本実施形態において、制御部１９は、上述したヘリウム循環システム１０の制御部１９を用いているが、極低温冷凍機１１の上記制御を行う別の制御部を備えていてもよい。

また、本実施形態の生体磁気計測装置１００は、上述した極低温冷凍機１１を備えて冷媒に含まれる不純物の影響を抑制できることから、脳機能測定装置１０１による測定を経済的かつ継続的に行える。

なお、図には明示しないが、貯留部２７は、受部２２の外周であって冷却部２１の第二コールドステージ２１Ｅよりも下側に接続され、受部２２の底２２Ａよりも移送管２４の上端２４ａが上方に位置することで、受部２２で纏められた液体冷媒Ｒが移送管２４の上端２４ａの位置まで貯まるように構成されていてもよい。

また、図には明示ないが、排気部である排気弁１４Ｂｄは、保温部２３に直接接続されていてもよい。この場合、第二蒸発ガス回収管１４Ｂと、開閉弁１４Ｂｃおよび排気弁１４Ｂｄは設けなくてもよい。

１１極低温冷凍機
１４Ｂｄ排気部
１９制御部
２１冷却部
２２受部
２２Ａ底
２３保温部
２４移送管
２４ａ上端
２７貯留部
２６温度計
１００生体磁気計測装置
１０１脳機能測定装置（測定装置）

特許第５８３９７３４号公報

Claims

冷媒を冷却する冷却部と、
前記冷却部で冷却された前記冷媒を纏める受部と、
前記受部に連通する移送管と、
前記受部と前記移送管との間に設けられて前記冷媒を貯める貯留部と、
を備え、
前記貯留部は、前記受部の底に前記移送管の上端が延びて形成され、かつ、前記受部の底を前記移送管との接続部分に向けて下方に窄まるように形成されている、
極低温冷凍機。
前記貯留部は、前記冷却部の直下に配置される、請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記冷却部および前記貯留部を収容する保温部と、
前記冷却部または前記貯留部の温度を計測する温度計と、
前記保温部に接続された排気部と、
前記温度計が計測した温度が所定温度以上となった場合に前記排気部を開放する制御部と、
を備える、請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
請求項１から３のいずれか１項に記載の極低温冷凍機と、
前記極低温冷凍機から送られた冷媒により冷却される測定装置と、
を備える、生体磁気計測装置。