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JP2006046896A - Lossless cryogen cooling device for cryostat configuration - Google Patents

Lossless cryogen cooling device for cryostat configuration Download PDF

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JP2006046896A
JP2006046896A JP2005220785A JP2005220785A JP2006046896A JP 2006046896 A JP2006046896 A JP 2006046896A JP 2005220785 A JP2005220785 A JP 2005220785A JP 2005220785 A JP2005220785 A JP 2005220785A JP 2006046896 A JP2006046896 A JP 2006046896A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To permit operation with no or little cryogen loss, without (or with minimum) adjustment, even if several cryogens are used, by enabling easy retrofitting into existing cryostat configurations, in particular, those containing superconducting magnets. <P>SOLUTION: A cooling device 7 for reliquefying cryogenic gases, comprising an outer jacket 8 which delimits a vacuum chamber 9, and a cryocooler cold head 10 installed therein, which has at least two cold stages 11 and 12 and is at least partially surrounded by a radiation shield 13, is characterized in that at least two cold stages of the cold head are separately individually connected in a heat conducting manner to heat transferring devices 14a and 14b which can be inserted into neck or suspension tubes 3a and 3b of a cryostat 1 for keeping at least two different cryogenic liquids 18a and 18b. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、再液化冷媒ガスの冷却装置に関し、この装置は、真空チャンバを画定する外側ジャケットと同ジャケット内に設置された低温冷凍機コールドヘッドとを備え、コールドヘッドは、少なくとも2つのコールドステージを有すると共に放射シールドにより少なくとも部分的に包囲されている。   The present invention relates to an apparatus for cooling a reliquefied refrigerant gas, the apparatus comprising an outer jacket defining a vacuum chamber and a cryogenic refrigerator cold head installed in the jacket, the cold head comprising at least two cold stages. And at least partially surrounded by a radiation shield.

特許文献1−10には、低温冷凍機を用いることにより冷媒損失を殆どまたは全く来すことなしに超伝導磁石システムを冷却することが記載されている。   Patent Documents 1-10 describe cooling a superconducting magnet system with little or no refrigerant loss by using a low-temperature refrigerator.

例えば2段式の低温冷凍機のコールドヘッドは、その第1コールドステージが放射シールドに堅固に接続されると共に第2コールドステージがヘリウム容器に直接に又は固定の熱橋を介して熱伝導可能に接続されるよう、真空下にある別置のスリーブアセンブリ内に通常は設置され(例えば特許文献7に記載の如く)またはクライオスタットの真空チャンバ内に設置され(例えば特許文献6に記載の如く)、そして、ヘリウム容器は超伝導磁石を液体ヘリウム内に保持している。ヘリウムは外部からの入熱によって蒸発するが、ヘリウムがヘリウム容器内の低温接触面で再凝縮することによりヘリウム容器への入熱全体を補償することができ、これによりシステムの冷媒を略全く損失することなしに運転が行われる。これに代えて、例えば特許文献9に記載されているようにコールドヘッドをネックチューブに挿入可能であり、このネックチューブは、クライオスタットの外側真空スリーブをヘリウム容器に接続するものであり、ヘリウムガスで満たされている。2段コールドヘッドの第1コールドステージは放射シールドと固定的かつ熱的に接触しており、第2コールドステージはヘリウム雰囲気中に自由懸垂されて蒸発ヘリウムを直接液化するものである。   For example, the cold head of a two-stage cryogenic refrigerator has its first cold stage firmly connected to the radiation shield and allows the second cold stage to conduct heat directly to the helium vessel or via a fixed thermal bridge. To be connected, it is usually installed in a separate sleeve assembly under vacuum (e.g. as described in U.S. Pat. No. 6,057,049) or in a cryostat vacuum chamber (e.g. as described in U.S. Pat. The helium container holds the superconducting magnet in liquid helium. Helium evaporates due to external heat input, but helium can be recondensed at the low temperature contact surface in the helium container to compensate for the overall heat input to the helium container, resulting in almost no loss of system refrigerant. Driving is done without doing. Instead, for example, as described in Patent Document 9, a cold head can be inserted into a neck tube. This neck tube connects an outer vacuum sleeve of a cryostat to a helium vessel, and helium gas is used. be satisfied. The first cold stage of the two-stage cold head is in fixed and thermal contact with the radiation shield, and the second cold stage is suspended freely in a helium atmosphere to directly liquefy evaporated helium.

これらのものには幾つか欠点がある。すなわち、クライオスタットの設計および構築に労力を要すると共に設計および構築が複雑になり、また、低温冷凍機のコールドヘッドを収容する更なるスリーブの設置によりコールドヘッドへの更なる入熱が発生する。コールドヘッドに更なるネックチューブを用いる場合、ヘリウムガスカラムおよびチューブ壁における熱伝導とヘリウムガスの対流とにより、ヘリウム容器や冷凍機のコールドヘッドに更なる熱が伝達される。さらに、コールドヘッドとクライオスタットとの間に固定の堅固またはフレキシブルな熱素子が接続されるが、この熱素子によりコールドヘッドの振動がクライオスタットに伝達される。さらにまた、10Kよりも低温の温度範囲では、パルスチューブ冷凍機やギボード・マクマーン冷凍機などの低温冷凍機のコールドヘッドの第2段蓄冷器で磁性蓄冷材が通常用いられ、また、蓄冷器はNMR磁石システムの磁気中心の比較的近くにある場合がある。この結果、NMRサンプルの位置における磁場の擾乱を防止すると共に蓄冷器の機能低下を防止するために蓄冷器を一般にはシールドしなければならない。最後に、低温冷凍機が故障すると不安定状態が発生し、新たな平衡状態に達するまでは放射シールドなどのクライオスタット部品の温度が連続的に変化する。例えば高分解能核磁気共鳴(NMR)分光用の磁石システムでは、磁石のシム状態が絶えず変化し、最悪の場合には磁石が消磁してクエンチするので、NMR測定が妨げられる。   These have some drawbacks. That is, the design and construction of the cryostat requires labor and the design and construction are complicated, and further heat input to the cold head is generated by the installation of a further sleeve that accommodates the cold head of the low-temperature refrigerator. When an additional neck tube is used for the cold head, additional heat is transferred to the helium vessel and the cold head of the refrigerator by heat conduction and helium gas convection in the helium gas column and tube wall. Furthermore, a fixed, rigid or flexible thermal element is connected between the cold head and the cryostat, and the vibration of the cold head is transmitted to the cryostat by this thermal element. Furthermore, in the temperature range lower than 10K, the magnetic regenerator material is usually used in the second stage regenerator of the cold head of a low-temperature refrigerator such as a pulse tube refrigerator or a Gibbe-McMaan refrigerator, It may be relatively close to the magnetic center of the NMR magnet system. As a result, the regenerator must generally be shielded in order to prevent magnetic field disturbances at the location of the NMR sample and to prevent the regenerator from functioning. Finally, when a low-temperature refrigerator fails, an unstable state occurs, and the temperature of a cryostat component such as a radiation shield changes continuously until a new equilibrium state is reached. For example, in a magnet system for high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, the shim state of the magnet constantly changes, and in the worst case, the magnet is demagnetized and quenches, thus preventing NMR measurements.

これらの問題を解決しつつ半ば無損失の冷媒システムを実現する1つの方法では、低温冷凍機で冷却される装置を使用しなければならない。この装置は、単一の蒸発冷媒の再液化に使用可能なものである。例えば超伝導磁石システムに従来一般に用いられるクライオスタット装置では、磁石は通常4.2Kの液体ヘリウムで満たされた容器内に設置される。ヘリウム容器への外部からの入熱が最小になるよう、ヘリウム容器は、一般にはボイルオフガスで冷却される放射シールドと液体窒素で冷却される別のシールドとで包囲される。また、蒸発冷媒によるパッシブ冷却のため、液体ヘリウム及び窒素を一定間隔で再充填しなければならない。   One way to achieve a semi-lossless refrigerant system while solving these problems requires the use of a device cooled by a low-temperature refrigerator. This device can be used to reliquefy a single evaporative refrigerant. For example, in a cryostat device that is conventionally used in a superconducting magnet system, the magnet is usually installed in a container filled with 4.2 K of liquid helium. To minimize external heat input to the helium vessel, the helium vessel is generally surrounded by a radiation shield that is cooled with boil-off gas and another shield that is cooled with liquid nitrogen. In addition, liquid helium and nitrogen must be refilled at regular intervals for passive cooling with evaporative refrigerant.

特許文献11及び12は、既存のクライオスタット構造の窒素容器のネックチューブ又はサスペンションチューブにヒートチューブ形式の熱伝達装置を挿入し、このヒートチューブを低温冷凍機のコールドヘッドに接続して蒸発窒素を再液化することを提案している(非特許文献1も参照)。液化装置は、1段パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドに直接にフランジ接続されると共に細いチューブで構成されており、窒素蒸気はこのチューブ内を上昇し、コールドヘッドに接触した低温表面で液化され、チューブ壁に沿って流れ落ちる。この非常に細いチューブはその上方領域が真空スリーブで包囲され、窒素ネックチューブ又はサスペンションチューブに直接挿入することができ、窒素の蒸発及び窒素損失を防止又は低減する。ここでは窒素のみを再液化しており、従って、ヘリウム損失を問題にしたものではない。   In Patent Documents 11 and 12, a heat transfer device of a heat tube type is inserted into a neck tube or a suspension tube of a nitrogen vessel having an existing cryostat structure, and this heat tube is connected to a cold head of a low-temperature refrigerator to recycle evaporated nitrogen. It is proposed to liquefy (see also Non-Patent Document 1). The liquefaction device is directly flanged to the cold head of the single-stage pulse tube refrigerator and is composed of a thin tube. Nitrogen vapor rises in this tube and is liquefied on the cold surface in contact with the cold head, It flows down along the tube wall. This very thin tube is surrounded by a vacuum sleeve in its upper region and can be inserted directly into a nitrogen neck tube or suspension tube to prevent or reduce nitrogen evaporation and nitrogen loss. Here, only nitrogen is reliquefied, and therefore helium loss is not a problem.

同様に、ヘリウムのみの再液化が2段低温冷凍機のコールドヘッドを用いてヘリウム貯蔵容器で行われている。   Similarly, reliquefaction of only helium is performed in a helium storage vessel using a cold head of a two-stage cryogenic refrigerator.

どちら(窒素液化装置またはヘリウム液化装置)の場合にも、低温冷凍機のコールドヘッドは真空チャンバを画定する外側ジャケット内にある。多段低温冷凍機が用いられる場合、コールドヘッド部分は、通常、放射シールドで包囲され、放射シールドはコールドステージ(最冷コールドステージではない)に接触しており、低温領域でコールドヘッドを熱放射から良好に絶縁するものである。   In either case (nitrogen liquefaction device or helium liquefaction device), the cold head of the cryocooler is in the outer jacket that defines the vacuum chamber. When a multi-stage cryocooler is used, the cold head part is usually surrounded by a radiation shield, which is in contact with the cold stage (not the coldest cold stage), and the cold head is protected from thermal radiation in the low temperature region. Good insulation.

上述したように、特に高分解能核磁気共鳴(NMR)分光における磁石システムに従来使用されている種々のクライオスタット構造は、2以上の冷媒を有している。液体ヘリウムが満たされ磁石を保持する容器の他に、更なる放射シールドが設けられ、この放射シールドは液体窒素で冷却される。このように、ヘリウム損失及び窒素損失の双方を低減し又は無損失運転を実現するためには、別置のヘリウム液化装置および別置の窒素液化装置を使用しなければならない。これは、装置の数、設備投資および運転コストをかなり増大させることになる。
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5,966,944号明細書 米国特許第5,563,566号明細書 米国特許第5,613,367号明細書 米国特許第5,782,095号明細書 米国特許出願公開第2002/0002830号明細書 米国特許出願公開第2003/230089号明細書 特開平11−257770号公報 特開2000−283578号公報 低温工学の進歩(Advances of Cryogenic Engineering),第45巻,p.41−45
As described above, various cryostat structures conventionally used in magnet systems, particularly in high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, have two or more refrigerants. In addition to a container filled with liquid helium and holding a magnet, an additional radiation shield is provided, which is cooled with liquid nitrogen. Thus, in order to reduce both helium loss and nitrogen loss or to realize lossless operation, a separate helium liquefier and a separate nitrogen liquefier must be used. This will significantly increase the number of equipment, capital investment and operating costs.
European Patent Application No. 0905436 European Patent Application No. 0905524 International Publication No. 03/036207 Pamphlet International Publication No. 03/036190 Pamphlet US Pat. No. 5,966,944 US Pat. No. 5,563,566 US Pat. No. 5,613,367 US Pat. No. 5,782,095 US Patent Application Publication No. 2002/0002830 US Patent Application Publication No. 2003/230089 JP 11-257770 A JP 2000-283578 A Advances of Cryogenic Engineering, Vol. 45, p. 41-45

したがって、本発明の目的は、少なくとも2つの冷媒を含む既存のクライオスタット構造とくに超伝導磁石装置を含むクライオスタット構造に有利にかつ簡単に後付けすることができる冷却装置であって、既存の冷媒液体の一部又は全部の損失を解消し又は従来装置に比べて大幅に低減することができる冷却装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is a cooling device that can be advantageously and easily retrofitted to an existing cryostat structure including at least two refrigerants, particularly a cryostat structure including a superconducting magnet device. It is an object of the present invention to provide a cooling device that can eliminate part or all of the loss or can significantly reduce the loss compared to conventional devices.

従来技術と異なり、本発明によれば、この目的は、少なくとも2つの異なる冷媒液体を保持するクライオスタットのネックチューブ又はサスペンションチューブに挿入可能な熱伝達装置に、低温冷凍機のコールドヘッドの少なくとも2つのコールドステージをそれぞれ別々に熱伝導可能に接続することにより達成される。   Unlike the prior art, according to the present invention, this object is achieved with a heat transfer device that can be inserted into a neck tube or suspension tube of a cryostat that holds at least two different refrigerant liquids. This is achieved by connecting the cold stages separately so that they can conduct heat.

この種の冷却装置には下記の利点がある。すなわち、既存のクライオスタット構造とくに超伝導磁石を含むクライオスタット構造に調整なしに(又は若干の調整のみで)後付けすることができ、幾つかの冷媒を用いる場合にも特段のハードウエアの必要なしに且つ冷媒損失を全くまたは殆ど来すことなく運転を行うことができる。クライオスタットの再設計は不要である。装置により発生するクライオスタットへの更なる入熱は少なく、また、正しく設計された場合、更なる入熱を精密に予測することができる。熱伝達装置では冷媒が液化されるが、この熱伝達装置はクライオスタット構造のネックチューブ又はサスペンションチューブに非接触で導入できるように設計される。蒸発ガスは過熱されず、また、蒸発ガスを液化温度まで冷却する必要がないので、蒸発ガスは熱力学的に効果的に液化される。低温冷凍機のコールドヘッドは、クライオスタット内の超伝導磁石装置の磁気中心からの距離が、クライオスタットにコールドヘッドを直接組込んだ場合に比べ、磁石装置に磁性蓄冷材が及ぼす擾乱がそれほど深刻でないような距離になるように配置される。他方、低温冷凍機の機能は磁石装置の磁場によりあまり損なわれることがない。低温冷凍機が故障し又は保守作業のために電源をオフした場合にも、クライオスタット構造は例えば超伝導磁石装置を冷却する機能を依然として果たすことができる。これにより運転の信頼性が確保される。さらに、ユーザは動作モード(従来モード又は冷媒損失なしモード)を自由に選択することができる。   This type of cooling device has the following advantages. That is, it can be retrofitted without adjustment (or only with slight adjustment) to an existing cryostat structure, particularly a cryostat structure including a superconducting magnet, and even when several refrigerants are used, no special hardware is required and Operation can be performed with little or no refrigerant loss. There is no need to redesign the cryostat. Further heat input to the cryostat generated by the apparatus is small, and when correctly designed, further heat input can be accurately predicted. In the heat transfer device, the refrigerant is liquefied, but this heat transfer device is designed so that it can be introduced into the neck tube or suspension tube of the cryostat structure without contact. Since the evaporative gas is not overheated and it is not necessary to cool the evaporative gas to the liquefaction temperature, the evaporative gas is liquefied effectively thermodynamically. The cold head of the cryocooler is such that the disturbance from the magnetic regenerator on the magnet device is less serious than the distance from the magnetic center of the superconducting magnet device in the cryostat when the cold head is directly incorporated into the cryostat. It arranges so that it may become a distance. On the other hand, the function of the low-temperature refrigerator is not significantly impaired by the magnetic field of the magnet device. Even if the cryocooler fails or is turned off for maintenance work, the cryostat structure can still function to cool the superconducting magnet device, for example. This ensures driving reliability. Further, the user can freely select an operation mode (conventional mode or no refrigerant loss mode).

本発明の冷却装置の特に好ましい実施の形態では、少なくとも1つの熱伝達装置は空洞部を有し、この空洞部は開口管路とくに導管に接続されている。クライオスタットの液体タンクから蒸発した冷媒は導管を通ってコールドステージにある空洞部に導かれ、コールドステージで液化される。凝縮した冷媒は、導管を通ってクライオスタットの液体タンクに流れ戻る。この熱伝達装置は、従来の熱工学ヒートパイプのように機能する。   In a particularly preferred embodiment of the cooling device according to the invention, the at least one heat transfer device has a cavity, which is connected to an open line, in particular a conduit. The refrigerant evaporated from the liquid tank of the cryostat passes through the conduit to the cavity in the cold stage and is liquefied at the cold stage. The condensed refrigerant flows back through the conduit to the cryostat liquid tank. This heat transfer device functions like a conventional thermal engineering heat pipe.

本発明の別の好ましい実施の形態では、少なくとも1つの熱伝達装置は熱伝達特性に優れた金属製コネクションを備え、クライオスタットの液体タンクから蒸発した冷媒が金属製コネクションの端部で液化され、その後クライオスタットの液体タンクの液体槽に流れ戻る。このコネクションの他端部は低温冷凍機のコールドヘッドのコールドステージにフランジ接続されている。熱伝達装置は種々に組み合わせることができる。熱伝達特性に優れた金属製コネクションを例えば2段コールドヘッドの第1コールドステージにフランジ接続し、第2コールドステージを導管に接続することができる。   In another preferred embodiment of the invention, the at least one heat transfer device comprises a metal connection with excellent heat transfer characteristics, the refrigerant evaporating from the cryostat liquid tank is liquefied at the end of the metal connection and thereafter It flows back to the liquid tank of the cryostat liquid tank. The other end of this connection is flange-connected to the cold stage of the cold head of the low-temperature refrigerator. The heat transfer device can be combined in various ways. For example, a metal connection having excellent heat transfer characteristics can be flanged to the first cold stage of the two-stage cold head, and the second cold stage can be connected to the conduit.

特に高分解能NMR法では、低温冷凍機はパルスチューブ冷凍機であることが有利である。パルスチューブ冷凍機はきわめて低振動で運転することができるからである。さらに、パルスチューブ冷凍機は動作が信頼でき、保守の必要がほとんどない。   Particularly in the high-resolution NMR method, it is advantageous that the low-temperature refrigerator is a pulse tube refrigerator. This is because the pulse tube refrigerator can be operated with extremely low vibration. In addition, pulse tube refrigerators are reliable in operation and require little maintenance.

冷却装置はギボード・マクマーン冷凍機によっても作動可能である。パルスチューブ冷凍機と比べた場合、この低温冷凍機の欠点は振動が大きいことである。この欠点は、以下で説明するように、低温冷凍機とクライオスタット構造との間に柔らかいシール要素を設けることによって解決できる。   The cooling device can also be operated by a Gibaud-McMaan refrigerator. When compared with pulse tube refrigerators, the disadvantage of this low-temperature refrigerator is that it has a large vibration. This disadvantage can be solved by providing a soft sealing element between the cryocooler and the cryostat structure, as will be explained below.

特に有利には、両端が開口した少なくとも1つの接続管路を設け、沸点が最も低い冷媒を収容する液体タンクの少なくとも1つのネックチューブ又はサスペンションチューブに低温冷凍機のコールドヘッドを接続する。熱伝達装置は液体タンクには挿入されない。接続管路はコールドヘッドの少なくとも2つのコールドステージと熱接触し、最冷コールドステージ上の蓄冷器チューブとも接触可能である。接続管路は、最冷コールドステージとの熱接触後、コールドヘッドに取り付けられた空洞部内で終端し又は金属製コネクションに沿って液体タンクに案内される。この管路内のガスは、低温冷凍機のコールドヘッドで冷却されると共に最冷コールドステージで液化され、結果として生ずる吸引によりネックチューブ又はサスペンションチューブを通って冷却装置へ至る流れが管路内に発生する。ガス流はネックチューブ又はサスペンションチューブを冷却し、これにより理想的にはネックチューブ又はサスペンションチューブを介する入熱を完全に補償する。ネックチューブ又はサスペンションチューブ用のこの循環流はクライオスタットへの入熱をさらに低減する。   Particularly advantageously, at least one connecting line open at both ends is provided, and the cold head of the cryogenic refrigerator is connected to at least one neck tube or suspension tube of the liquid tank containing the refrigerant having the lowest boiling point. The heat transfer device is not inserted into the liquid tank. The connecting line is in thermal contact with at least two cold stages of the cold head and is also in contact with the regenerator tube on the coldest cold stage. The connecting line terminates in a cavity attached to the cold head after thermal contact with the coldest cold stage or is guided to a liquid tank along a metal connection. The gas in this pipeline is cooled by the cold head of the low-temperature refrigerator and liquefied by the coldest cold stage, and the resulting suction causes the flow through the neck tube or suspension tube to the cooling device to enter the pipeline. appear. The gas flow cools the neck tube or suspension tube, ideally completely compensating for heat input through the neck tube or suspension tube. This circulating flow for the neck tube or suspension tube further reduces the heat input to the cryostat.

この実施の形態の更なる発展例では、ネックチューブ又はサスペンションチューブとコールドヘッドとの間の接続管路にバルブ及び又はポンプを設けてガス流を制御する。例えば、コールドヘッドにおける吸引作用が大きくてガス流がサスペンションチューブ又はネックチューブの最適冷却のために必要なものよりも大きくなった場合、必要に応じてガス流を減少させ又は最適なガス流を調整することができる。   In a further development of this embodiment, a valve and / or pump is provided in the connecting line between the neck tube or suspension tube and the cold head to control the gas flow. For example, if the suction effect at the cold head is large and the gas flow is larger than what is required for optimal cooling of the suspension tube or neck tube, the gas flow can be reduced or the optimal gas flow adjusted as needed can do.

有利には、コールドヘッドの最冷コールドステージで4.2K以下の温度でヘリウムを液化可能であり、低温領域における複数の実行可能な応用を提供する。低温冷凍機の冷却能力が十分に大きければ、ヘリウム損失及び再充填プロセスを低減し又は無損失運転を実現することができる。   Advantageously, helium can be liquefied at temperatures below 4.2K on the coldest cold stage of the cold head, providing a plurality of viable applications in the low temperature region. If the cooling capacity of the cryocooler is sufficiently large, helium loss and refilling processes can be reduced or lossless operation can be achieved.

別の有利な態様では、低温冷凍機のコールドステージにおいて77K以下で窒素を液化することができる。液体窒素の容器を有するクライオスタット構造において熱伝達装置を用いることにより、低温冷凍機の冷却能力が十分に大きければ、運転中の窒素損失を低減し又は解消することができる。   In another advantageous embodiment, nitrogen can be liquefied at 77K or lower in the cold stage of a low-temperature refrigerator. By using a heat transfer device in a cryostat structure having a liquid nitrogen container, if the cooling capacity of the low-temperature refrigerator is sufficiently large, nitrogen loss during operation can be reduced or eliminated.

有利な実施の形態では、コールドヘッドの、最冷コールドステージではないコールドステージが、コールドヘッドを少なくとも部分的に包囲する放射シールドに熱伝導可能に接続される。このようにして、コールドヘッドのより低温の部品への放射的な入熱が実質的に低減される。   In an advantageous embodiment, a cold stage, not the coldest cold stage, of the cold head is connected in a thermally conductive manner to a radiation shield that at least partially surrounds the cold head. In this way, radiant heat input to the colder parts of the cold head is substantially reduced.

さらに有利には、熱伝達装置が少なくとも部分的に冷却装置の外側ジャケット内すなわち真空チャンバ内に静置される。これは、特に、低温冷凍機のコールドヘッドに接続された熱伝達装置部分にあてはまる。この熱伝達装置部分は、これにより外側への熱伝導に対して良好に絶縁される。   More advantageously, the heat transfer device is at least partially placed in the outer jacket of the cooling device, i.e. in the vacuum chamber. This is especially true for the heat transfer device portion connected to the cold head of the cryocooler. This heat transfer device part is thereby well insulated against heat conduction to the outside.

また、外側ジャケットの外側の領域で熱伝達装置を第1チューブにより少なくとも部分的に包囲することが非常に有利である。このチューブは熱伝達装置を断熱する。しかし、チューブは全長にわたって一定の直径を有するものであってはならない。チューブの一部では最小可能直径を選択し、その他の部分ではより大きな直径を選択することが、構成上、より好適である場合がある。   It is also very advantageous to at least partly surround the heat transfer device by the first tube in the region outside the outer jacket. This tube insulates the heat transfer device. However, the tube must not have a constant diameter over its entire length. It may be more constructive to choose the smallest possible diameter for some of the tubes and the larger diameter for the other parts.

好ましい実施の形態では、熱伝達装置を包囲する第1チューブは一端で開口しており、この開口端が外側ジャケットの真空チャンバに接続され、他端は導管又は熱伝達装置の金属製コネクションに気密に接続される。この実施の形態の冷却装置の真空チャンバが真空排気されると、第1チューブにより包囲された熱伝達装置部分も真空になる。熱伝達装置はこの領域で外側への熱伝導に対して良好に絶縁される。   In a preferred embodiment, the first tube surrounding the heat transfer device is open at one end, which is connected to the vacuum chamber of the outer jacket and the other end is airtight to the conduit or the metal connection of the heat transfer device. Connected to. When the vacuum chamber of the cooling device of this embodiment is evacuated, the heat transfer device portion surrounded by the first tube is also evacuated. The heat transfer device is well insulated against heat conduction outside in this region.

別の有利な実施の形態では、熱伝達装置を包囲する第1チューブは、両端が導管又は熱伝達装置の金属製コネクションに気密に接続され、別のコネクションを介して真空排気される。これによりチューブ内が真空排気され、チューブにより包囲された熱伝達装置部分は外側への熱伝導に対して良く絶縁される。   In another advantageous embodiment, the first tube surrounding the heat transfer device is hermetically connected at both ends to a conduit or metal connection of the heat transfer device and evacuated via another connection. As a result, the inside of the tube is evacuated and the heat transfer device portion surrounded by the tube is well insulated against heat conduction to the outside.

導管又は熱伝達装置の金属製コネクションは、放射シールドに熱伝導可能に接続された別の第2チューブを少なくとも部分的に包囲することが有利である。このチューブは第1チューブ内に配置され、上述のように真空絶縁を提供する。このようにして、第2チューブで包囲された熱伝達装置部分は外側への熱放射に対して良く絶縁される。   Advantageously, the metal connection of the conduit or heat transfer device at least partly surrounds another second tube that is connected to the radiation shield in a heat conducting manner. This tube is disposed within the first tube and provides vacuum insulation as described above. In this way, the heat transfer device part surrounded by the second tube is well insulated against the outward heat radiation.

上述の熱伝達装置を包囲するチューブは、少なくとも区間的にフレキシブルであることが特に好ましく、ベローとして設計されることが好ましい。   The tube surrounding the above-mentioned heat transfer device is particularly preferably at least partially flexible and is preferably designed as a bellows.

さらに有利には、熱伝達装置は少なくとも区間的にフレキシブルであり、特にベローとして又はワイヤストランドの形式に編んだものとして設計される。本発明の冷却装置のこの実施の形態では、熱伝達装置と周りのチューブはフレキシブルであって、クライオスタット構造のネックチューブ又はサスペンションチューブへの設置がかなり容易になる。   Further advantageously, the heat transfer device is at least partially flexible and is designed in particular as a bellows or knitted in the form of a wire strand. In this embodiment of the cooling device of the present invention, the heat transfer device and the surrounding tubes are flexible, making installation on a cryostat neck tube or suspension tube much easier.

これに関連して、ネックチューブ又はサスペンションチューブと周りのチューブを、少なくとも1箇所で気密継ぎ手を用いて互いに接離可能にすることも有利である。この継ぎ手は、熱伝達装置と周りのチューブの機能が損なわれないように設計される。これは、クライオスタット構造への冷却装置の取付けを実質的に容易にする。   In this connection, it is also advantageous for the neck tube or suspension tube and the surrounding tube to be able to contact and separate from each other using an airtight joint in at least one place. This joint is designed so that the functions of the heat transfer device and the surrounding tube are not impaired. This substantially facilitates the attachment of the cooling device to the cryostat structure.

本発明の別の実施の形態では、冷媒液体を保持するクライオスタットに冷却装置をネックチューブ又はサスペンションチューブにおいて取り付けることができ、又はクライオスタット構造の外側ジャケット上で取り付けることができる。   In another embodiment of the present invention, a cooling device can be attached at the neck tube or suspension tube to the cryostat holding the refrigerant liquid, or it can be attached on the outer jacket of the cryostat structure.

別の好ましい態様では、冷却装置はクライオスタットの外側たとえばルーム天井又は別置のスタンドに取り付けられる。この場合、クライオスタット構造は冷却装置の重量を支える必要がなく、これによりクライオスタット構造の機械的安定性が増大する。   In another preferred embodiment, the cooling device is attached to the outside of the cryostat, such as the room ceiling or a separate stand. In this case, the cryostat structure does not need to support the weight of the cooling device, thereby increasing the mechanical stability of the cryostat structure.

これに関連して、振動を伝達しない柔らかい接続要素を冷却装置とクライオスタットとの間のシールとして設けることが有利である。これにより、特に高分解能NMR法において冷却装置の擾乱的な振動がほとんど全くクライオスタット構造に伝わらなくなる。   In this connection, it is advantageous to provide a soft connecting element that does not transmit vibrations as a seal between the cooling device and the cryostat. Thereby, especially in the high-resolution NMR method, the disturbing vibration of the cooling device is hardly transmitted to the cryostat structure.

別の可能性は、低温冷凍機のコールドヘッドのコールドステージに電気ヒータを取り付けることである。低温冷凍機の冷却能力に余裕がある場合、ヒータを調整してクライオスタット構造の各種容器への入熱を低温冷凍機が正確に補償するようにすることができる。   Another possibility is to attach an electric heater to the cold stage of the cold head of the cryocooler. When the cooling capacity of the low-temperature refrigerator has a margin, the heater can be adjusted so that the low-temperature refrigerator accurately compensates the heat input to the various containers of the cryostat structure.

本発明の冷却装置の利点は、冷却装置がクライオスタット構造の一部を構成している場合に特に良く活用される。   The advantages of the cooling device of the present invention are particularly well utilized when the cooling device forms part of a cryostat structure.

特に有利には、冷却装置は、超伝導磁石を、特に核磁気共鳴装置の一部とくに磁気共鳴画像(MRI)装置又は核磁気共鳴(NMR)分光装置の一部である超伝導磁石を冷却するために用いられる。   Particularly advantageously, the cooling device cools a superconducting magnet, in particular a superconducting magnet that is part of a nuclear magnetic resonance apparatus, in particular a magnetic resonance imaging (MRI) apparatus or a nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopic apparatus. Used for.

電気ヒータはまた、本発明の冷却装置を備えたクライオスタット構造の液体タンクに少なくとも1つの液体タンクのネックチューブ又はサスペンションチューブを介して導入することができる。冷却装置に統合された低温冷凍機コールドヘッドの冷却能力に余裕がある場合、これにより液体容器内の圧力を周りの圧力よりも高い一定レベルに保つことができる。しかし、低温冷凍機の動作周波数及び又は低温冷凍機の作業ガスの充填量により低温冷凍機の出力を制御可能である。   The electric heater can also be introduced into a cryostat-structured liquid tank equipped with the cooling device of the present invention via the neck tube or suspension tube of at least one liquid tank. If the cooling capacity of the low-temperature refrigerator cold head integrated in the cooling device is sufficient, this allows the pressure in the liquid container to be kept at a constant level higher than the surrounding pressure. However, the output of the low-temperature refrigerator can be controlled by the operating frequency of the low-temperature refrigerator and / or the working gas filling amount of the low-temperature refrigerator.

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。上述の特徴及び以下で述べる特徴は、個々にまたは任意の組み合わせで利用することもできる。図示し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であることは言うまでもない。   Other advantages of the present invention will become apparent from the following description and drawings. The features described above and below can be used individually or in any combination. It is to be understood that the illustrated and described embodiments are not exhaustive and are exemplary in nature to illustrate the invention.

図1は、MR用途で通常用いられる磁石装置5を備えたクライオスタット1の概略図である。クライオスタット1はヘリウムで満たされた液体タンク2aを備え、この液体タンク2aは、サスペンションチューブ3aによりクライオスタット1の外側ジャケット4に接続され、また、磁石装置5を収容している。液体タンク2aまわりには別の液体タンク2bが配置され、この液体タンク2bは窒素を含み、また、サスペンションチューブ3bによりクライオスタット1の外側ジャケット4に接続されている。窒素を含む上記液体タンク2bはサスペンションチューブ3aと熱接触している。そして、2つの液体タンク2a,2bの間にはボイルオフガスで冷却される放射シールド6が配置され、この放射シールド6はサスペンションチューブ3aと熱接触している。   FIG. 1 is a schematic view of a cryostat 1 including a magnet device 5 that is normally used in MR applications. The cryostat 1 includes a liquid tank 2a filled with helium. The liquid tank 2a is connected to the outer jacket 4 of the cryostat 1 by a suspension tube 3a and accommodates a magnet device 5. Around the liquid tank 2a, another liquid tank 2b is disposed. This liquid tank 2b contains nitrogen and is connected to the outer jacket 4 of the cryostat 1 by a suspension tube 3b. The liquid tank 2b containing nitrogen is in thermal contact with the suspension tube 3a. A radiation shield 6 cooled by boil-off gas is disposed between the two liquid tanks 2a and 2b, and the radiation shield 6 is in thermal contact with the suspension tube 3a.

図2aは、本発明による冷却装置7の実施の形態を示す。この冷却装置は、真空チャンバ9を画定する外側ジャケット8と該ジャケット内に配置されたコールドヘッド10とを含み、コールドヘッド10は、少なくとも2つのコールドステージ11,12を備え、放射シールド13により少なくとも部分的に包囲されている。コールドヘッド10のコールドステージ11,12は、熱伝達装置14a,14bにそれぞれ熱伝導可能に接続されている。熱伝達装置14a,14bは空洞部15a,15bをそれぞれ有し、空洞部15a,15bは導管16a,16bにそれぞれ接続されている。   FIG. 2a shows an embodiment of the cooling device 7 according to the invention. The cooling device includes an outer jacket 8 defining a vacuum chamber 9 and a cold head 10 disposed in the jacket, the cold head 10 comprising at least two cold stages 11, 12, at least by a radiation shield 13. Partially surrounded. The cold stages 11 and 12 of the cold head 10 are connected to the heat transfer devices 14a and 14b, respectively, so as to be able to conduct heat. The heat transfer devices 14a and 14b have cavities 15a and 15b, respectively, and the cavities 15a and 15b are connected to the conduits 16a and 16b, respectively.

図2bは本発明による冷却装置7の別の実施の形態を示し、熱伝達装置14a,14bは、熱伝導特性に優れたコネクション17a,17bを備えている。これらのコネクションは、例えば、一般には金属製ロッドとして設計されるコールドフィンガの形式でよい。この金属製ロッドは、該ロッドに沿う温度差が最小になるよう最大の断面を有するものでなければならない。   FIG. 2b shows another embodiment of the cooling device 7 according to the present invention. The heat transfer devices 14a and 14b are provided with connections 17a and 17b having excellent heat conduction characteristics. These connections can be, for example, in the form of cold fingers, which are generally designed as metal rods. The metal rod must have the largest cross section so that the temperature difference along the rod is minimized.

導管16a,16bは、クライオスタット1の液体タンク2a,2bのサスペンションチューブ3a,3bに挿入することができる。図3は、本発明の冷却装置7を設置状態で示す。導管16a,16bは、液体タンク2a,2bに配された冷媒18a,18bの液面上方の冷媒蒸気中に位置づけられている。熱伝達装置14a,14bは、低温冷凍機のコールドステージ11,12にそれぞれ熱伝導可能に接続されている(図2a,図2b及び図3)。クライオスタット1の液体タンク2a,2bから蒸発した冷媒18a,18bは導管16a,16bを通ってコールドステージ12,11上の空洞部15a,15bにそれぞれ導かれる。冷媒18a,18bはコールドステージ12,11で凝縮して液化し、その後、導管16a,16bを通ってクライオスタット1の液体タンク2a,2bに流れ戻る。ヘリウム蒸気もまた、コールドヘッド10と接触しかつ熱伝導特性に優れた金属製コネクション17a,17bの端部で液化可能である(図2b)。   The conduits 16a and 16b can be inserted into the suspension tubes 3a and 3b of the liquid tanks 2a and 2b of the cryostat 1. FIG. 3 shows the cooling device 7 of the present invention in an installed state. The conduits 16a and 16b are positioned in the refrigerant vapor above the liquid level of the refrigerants 18a and 18b arranged in the liquid tanks 2a and 2b. The heat transfer devices 14a and 14b are connected to the cold stages 11 and 12 of the low-temperature refrigerator so as to be able to conduct heat (FIGS. 2a, 2b and 3). The refrigerants 18a and 18b evaporated from the liquid tanks 2a and 2b of the cryostat 1 are guided to the cavities 15a and 15b on the cold stages 12 and 11 through the conduits 16a and 16b, respectively. The refrigerants 18a and 18b are condensed and liquefied in the cold stages 12 and 11, and then flow back to the liquid tanks 2a and 2b of the cryostat 1 through the conduits 16a and 16b. Helium vapor can also be liquefied at the ends of the metal connections 17a, 17b that are in contact with the cold head 10 and have excellent thermal conductivity (FIG. 2b).

液体タンク2bからの、沸点がより高温の冷媒18bは、コールドヘッド10の第1コールドステージ11で液化され、一方、沸点がより低温の冷媒18aは、コールドヘッド10の、より低温の第2コールドステージ12で液化される。本発明は、多段コールドヘッド10を具備した冷却装置を備え、原理的にはコールドヘッド10のコールドステージの数に対応する任意の数の冷媒を液化することができるものである。   The refrigerant 18b having a higher boiling point from the liquid tank 2b is liquefied in the first cold stage 11 of the cold head 10, while the refrigerant 18a having a lower boiling point is the second cold of the cold head 10 having a lower temperature. It is liquefied at stage 12. The present invention includes a cooling device having a multi-stage cold head 10 and can in principle liquefy any number of refrigerants corresponding to the number of cold stages of the cold head 10.

熱伝達装置14a,14bを入熱から隔離するべく、熱伝達装置は第1チューブ19a,19bにより包囲されている。第1チューブは冷却装置7の外側ジャケット8の真空チャンバ9に接続され、真空チャンバ9と一緒に排気可能である(図2a,図2b)。外部熱放射からの断熱性を高めるため、第2チューブ20が第1チューブ19a内に配置され、また、放射シールド13に熱伝導可能に接続されている。第1チューブ19aの直径は、図2a,図2b及び図3において同チューブの長さ方向に変化している。第1チューブを液体タンク2bのサスペンションチューブ3bに非接触で挿入可能なようチューブ直径を閉塞端部で低減させなければならない場合がある。ベローは、第1チューブ19bと冷却装置7の外側ジャケット8との間のフレキシブル接続を提供する。また、ベローを第1チューブ19aと外側ジャケット8との間及び第2チューブ20の区間に介在させることもできる。図2bに示された金属製コネクション17a,17bは、フレキシブルな接続要素21a,21b(例えばひも状に編んだワイヤ)によってフレキシブルにすることができる。低温冷凍機の冷却能力に余裕がある場合、低温冷凍機のコールドヘッド10のコールドステージ11,12に追加ヒータ(図示せず)を取り付けることができる。これに代えて或いはこれに加えて、低温冷凍機の冷却能力に余裕がある場合、ヒータ22a,22bを用いて冷媒18a,18bの液体タンク2a,2b内の圧力を一定に保つことができる。ヒータ22a,22bは、液体タンク2a,2b内に配置され、例えば自由ネックチューブ又は自由サスペンションチューブ3c,3dを介して挿入される。   In order to isolate the heat transfer devices 14a, 14b from heat input, the heat transfer devices are surrounded by the first tubes 19a, 19b. The first tube is connected to the vacuum chamber 9 of the outer jacket 8 of the cooling device 7 and can be evacuated together with the vacuum chamber 9 (FIGS. 2a and 2b). In order to enhance heat insulation from external heat radiation, the second tube 20 is disposed in the first tube 19a and is connected to the radiation shield 13 so as to be capable of conducting heat. The diameter of the first tube 19a changes in the length direction of the tube in FIGS. 2a, 2b and 3. The tube diameter may have to be reduced at the closed end so that the first tube can be inserted into the suspension tube 3b of the liquid tank 2b without contact. The bellows provides a flexible connection between the first tube 19b and the outer jacket 8 of the cooling device 7. Further, bellows can be interposed between the first tube 19 a and the outer jacket 8 and in the section of the second tube 20. The metal connections 17a, 17b shown in FIG. 2b can be made flexible by flexible connection elements 21a, 21b (for example, wires knitted in a string). When the cooling capacity of the low-temperature refrigerator is sufficient, an additional heater (not shown) can be attached to the cold stages 11 and 12 of the cold head 10 of the low-temperature refrigerator. Alternatively or in addition to this, when the cooling capacity of the low-temperature refrigerator has a margin, the pressures in the liquid tanks 2a and 2b of the refrigerants 18a and 18b can be kept constant using the heaters 22a and 22b. The heaters 22a and 22b are disposed in the liquid tanks 2a and 2b, and are inserted through, for example, free neck tubes or free suspension tubes 3c and 3d.

図4は本発明の冷却装置の有利な変形例を示し、クライオスタット1の自由ネックチューブ又は自由サスペンションチューブ3cは、両側が開口した管路23を介して、コールドヘッド10のコールドステージ11,12と熱接触した後に空洞部15aに接続され、つまり液体タンク2aに接続されるものになっている。この種の接続は、幾本かの自由ネックチューブ又は自由サスペンションチューブ3cによっても実現することができる。サスペンションチューブ3cからの管路は最初に1つの管路23にまとめられる。管路23は、コールドヘッド10を含む冷却装置7の外側ジャケット8を貫通して案内され、熱交換機24b,24aによりコールドヘッドの少なくとも2つのコールドステージ11,12と熱接触する。場合によっては、例えば管路23を蓄冷器チューブ25に巻きつけて、管路23を最冷コールドステージ12の蓄冷器チューブ25とも熱接触させる。最冷コールドステージ12との接触後、管路23はコールドヘッド10に設けられた空洞部15a内で終端をなし、又は金属製コネクション17aに沿って冷媒18a(ヘリウム)の液体タンク2aに導かれる。管路23内のガスはコールドヘッド10で冷却され、最冷コールドステージ12で液化し、結果として生ずる吸引により、サスペンションチューブ3cを通って冷却装置7へ向かう流れが管路23に発生する。加熱されるガス流がサスペンションチューブ3cを冷却し、これにより理想的にはサスペンションチューブ3cを介する入熱が完全に補償され又は少なくとも低減される。低温冷凍機の全体的な冷却力は追加負荷のために若干低下する。入熱の低減による利益は冷却力の低下よりも大きい。特に大型のネックチューブ又はサスペンションチューブ3cを用いるシステムの場合、低出力の低温冷凍機を使用することができる。熱伝達装置14a,14b(ヒートチューブ又はコールドフィンガ)は2つ又は3つの部品から作ることができ、そのため気密継ぎ手(図示せず)を用いて熱伝達装置部品を分離することができる。これにより、設置および分解が容易になる。管路23はバルブ26およびポンプ27を有し、管路23を通るガス流を制御し、最適なガス流を調整することができる。管路23にこれらのデバイス(バルブ26又はポンプ27)を設けることも、これらのデバイスを完全に省くこともできる。図4の実施の形態および図3の実施の形態では、ヒータ22a,22bが液体タンク2a,2bに設けられている。明確化のため、図4ではコネクションは省略されている。   FIG. 4 shows an advantageous variant of the cooling device according to the invention, in which the free neck tube or free suspension tube 3c of the cryostat 1 is connected to the cold stages 11, 12 of the cold head 10 via lines 23 open on both sides. After being in thermal contact, it is connected to the cavity 15a, that is, connected to the liquid tank 2a. This type of connection can also be realized by several free neck tubes or free suspension tubes 3c. The pipelines from the suspension tube 3 c are first combined into one pipeline 23. The pipe line 23 is guided through the outer jacket 8 of the cooling device 7 including the cold head 10 and is in thermal contact with at least two cold stages 11 and 12 of the cold head by heat exchangers 24b and 24a. In some cases, for example, the pipe line 23 is wound around the regenerator tube 25, and the pipe line 23 is also brought into thermal contact with the regenerator tube 25 of the coldest cold stage 12. After contact with the coldest cold stage 12, the pipe line 23 terminates in a cavity 15a provided in the cold head 10, or is led to the liquid tank 2a of the refrigerant 18a (helium) along the metal connection 17a. . The gas in the pipe line 23 is cooled by the cold head 10, liquefied by the coldest cold stage 12, and the resulting suction generates a flow in the pipe line 23 through the suspension tube 3 c toward the cooling device 7. The heated gas stream cools the suspension tube 3c so that ideally the heat input through the suspension tube 3c is completely compensated or at least reduced. The overall cooling power of the cryocooler is slightly reduced due to the additional load. The benefit from reduced heat input is greater than the decrease in cooling power. Particularly in the case of a system using a large neck tube or suspension tube 3c, a low-power low-temperature refrigerator can be used. The heat transfer devices 14a, 14b (heat tubes or cold fingers) can be made from two or three parts so that the heat transfer device parts can be separated using an airtight joint (not shown). This facilitates installation and disassembly. The pipe line 23 has a valve 26 and a pump 27, and can control the gas flow through the pipe line 23 to adjust the optimum gas flow. These devices (valve 26 or pump 27) can be provided in the conduit 23, or these devices can be omitted completely. In the embodiment of FIG. 4 and the embodiment of FIG. 3, heaters 22a and 22b are provided in the liquid tanks 2a and 2b. For clarity, the connections are omitted in FIG.

図5aないし図5cは、冷却装置7を固定する上での種々の可能性を示す。低温冷凍機のコールドヘッド10を収容する真空容器は、図5aに示されているようにクライオスタット1の外側ジャケット4に直接取り付けるか、又は、外部たとえばルーム天井28(図5b)又は別置のスタンド29(図5c)に取り付けることができる。クライオスタット1に取り付けるにはシール30を用いなければならない。外部に懸垂させる場合、真空チャンバ9とクライオスタット1の外側ジャケット4との間に別のシール要素31a,31bを用いるだけであり、結果として、低温冷凍機の振動はクライオスタット1に全く伝わらず又は最小の振動しか伝わらない。超伝導磁石装置5を収容したクライオスタット構造の冷却に冷却装置7を用いる場合、特に超伝導磁石装置5が核磁気共鳴装置の一部とくに磁気共鳴画像装置(MRI)又は磁気共鳴分光(核磁気共鳴、NMR)の一部である場合、これは特に有利である。したがって、本発明の冷却装置によれば高分解能NMR法が可能になる。   Figures 5a to 5c show various possibilities for fixing the cooling device 7. The vacuum vessel that houses the cold head 10 of the cryocooler can be attached directly to the outer jacket 4 of the cryostat 1 as shown in FIG. 5a, or it can be externally mounted, for example, the room ceiling 28 (FIG. 5b) or a separate stand. 29 (FIG. 5c). A seal 30 must be used to attach to the cryostat 1. When suspended externally, only another sealing element 31a, 31b is used between the vacuum chamber 9 and the outer jacket 4 of the cryostat 1, and as a result, the vibration of the cryocooler is not transmitted to the cryostat 1 at all or minimal. Only the vibration of is transmitted. When the cooling device 7 is used for cooling the cryostat structure containing the superconducting magnet device 5, the superconducting magnet device 5 is a part of the nuclear magnetic resonance device, particularly a magnetic resonance imaging device (MRI) or magnetic resonance spectroscopy (nuclear magnetic resonance). , NMR), this is particularly advantageous. Therefore, according to the cooling device of the present invention, a high-resolution NMR method becomes possible.

要約すると、既存のクライオスタット構造とくに超伝導磁石を収容する構造に調整なしに(又は僅かな調整だけで)後付けすることができ、幾つかの冷媒を用いる場合にも冷媒損失を全くあるいは殆ど来すことなしに運転可能な冷却装置が提供される。   In summary, existing cryostat structures, particularly those containing superconducting magnets, can be retrofitted without adjustment (or with only minor adjustments), with some or no refrigerant loss even with some refrigerants. There is provided a cooling device that can be operated without any problems.

冷媒液体用の2つの液体タンクを備えたクライオスタット構造を示す。A cryostat structure provided with two liquid tanks for refrigerant liquid is shown. 空洞部を有する熱伝達装置を具備した本発明の冷却装置を示す。1 shows a cooling device of the present invention comprising a heat transfer device having a cavity. 熱伝達特性に優れた金属製コネクションを備える熱伝達装置を具備した本発明の冷却装置を示す。The cooling device of the present invention provided with the heat transfer device provided with the metal connection excellent in the heat transfer characteristic is shown. クライオスタットに設置された図2aによる冷却装置を示す。2b shows the cooling device according to FIG. 2a installed in a cryostat. クライオスタットに設置された本発明による冷却装置を、低温冷凍機のコールドヘッドを液体タンクのサスペンションチューブに接続する接続管路と共に示す。1 shows a cooling device according to the invention installed in a cryostat, together with a connecting line connecting a cold head of a cryogenic refrigerator to a suspension tube of a liquid tank. クライオスタットに取り付けられた本発明による冷却装置を示す。1 shows a cooling device according to the invention attached to a cryostat. ルーム天井に取り付けられた本発明による冷却装置を示す。Fig. 2 shows a cooling device according to the invention mounted on a room ceiling. スタンドに取り付けられた本発明による冷却装置を示す。1 shows a cooling device according to the invention attached to a stand.

符号の説明Explanation of symbols

1 クライオスタット
2a,2b 液体タンク
3a,3b,3c,3d サスペンションチューブ
4 外側ジャケット
5 磁石装置
6 クライオスタットの放射シールド
7 冷却装置
8 冷却装置の外側ジャケット
9 真空チャンバ
10 コールドヘッド
11 第1コールドステージ
12 第2コールドステージ
13 冷却装置の放射シールド
14a,14b 熱伝達装置
15a,15b 空洞部
16a,16b 導管
17a,17b コネクション
18a,18b 冷媒
19a,19b 第1チューブ
20 第2チューブ
21a,21b 接続要素
22a,22b ヒータ
23 開口した管路
24a,24b 熱交換器
25 蓄冷器チューブ
26 バルブ
27 ポンプ
28 ルーム天井
29 スタンド
30 シール
31a,31b シール要素
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cryostat 2a, 2b Liquid tank 3a, 3b, 3c, 3d Suspension tube 4 Outer jacket 5 Magnet device 6 Radiation shield of cryostat 7 Cooling device 8 Outer jacket of cooling device 9 Vacuum chamber 10 Cold head 11 First cold stage 12 Second Cold stage 13 Radiation shield of cooling device 14a, 14b Heat transfer device 15a, 15b Cavity 16a, 16b Conduit 17a, 17b Connection 18a, 18b Refrigerant 19a, 19b First tube 20 Second tube 21a, 21b Connecting element 22a, 22b Heater 23 Open pipes 24a, 24b Heat exchanger 25 Regenerator tube 26 Valve 27 Pump 28 Room ceiling 29 Stand 30 Seal 31a, 31b Seal element

Claims (19)

少なくとも2つのコールドステージ(11,12)を備えると共に少なくとも部分的に放射シールド(13)により包囲された低温冷凍機のコールドヘッド(10)を収容し且つ真空チャンバ(9)を画定する外側ジャケット(8)を備え、冷媒ガスを再液化する冷却装置(7)であって、少なくとも2つの異なる冷媒液体(18a,18b)を保持するクライオスタット(1)のネックチューブ又はサスペンションチューブ(3a,3b)に各々挿入可能な熱伝達装置(14a,14b)に、前記コールドヘッド(10)の少なくとも2つのコールドステージ(11,12)が別々に熱伝導可能に接続されていることを特徴とする冷却装置(7)。   An outer jacket (10) containing a cold head (10) of a cryocooler comprising at least two cold stages (11, 12) and at least partially surrounded by a radiation shield (13) and defining a vacuum chamber (9) 8) and a cooling device (7) for reliquefying the refrigerant gas, the neck tube or suspension tube (3a, 3b) of the cryostat (1) holding at least two different refrigerant liquids (18a, 18b). At least two cold stages (11, 12) of the cold head (10) are separately connected to each insertable heat transfer device (14a, 14b) so as to be capable of conducting heat. 7). 前記熱伝達装置(14a,14b)の少なくとも一方が、開口管路とくに導管(16a,16b)に接続された空洞部(15a,15b)を有し、前記開口管路とくに導管は、クライオスタット(1)の液体タンク(2a,2b)から蒸発した冷媒(18a,18b)を、前記冷媒が液化するコールドステージ上にある空洞部に導き、その後、前記冷媒を前記導管(16a,16b)を通って前記クライオスタット(1)の前記液体タンク(2a,2b)に流れ戻すことを特徴とする請求項1に記載の冷却装置(7)。   At least one of the heat transfer devices (14a, 14b) has a cavity (15a, 15b) connected to an open conduit, particularly a conduit (16a, 16b), and the open conduit, particularly the conduit, is a cryostat (1 ) Of the refrigerant (18a, 18b) evaporated from the liquid tank (2a, 2b) is led to a cavity on the cold stage where the refrigerant liquefies, and then the refrigerant passes through the conduits (16a, 16b). The cooling device (7) according to claim 1, wherein the cooling device (7) flows back to the liquid tank (2a, 2b) of the cryostat (1). 前記熱伝達装置(14a,14b)の少なくとも一方が、熱伝導特性に優れた金属製コネクション(17a,17b)を有し、前記クライオスタット(1)の前記液体タンク(2a,2b)から蒸発した冷媒(18a,18b)が前記金属製コネクションの端部で液化され、その後クライオスタット(1)の前記液体タンク(2a,2b)の液体槽(18a,18b)に戻されることを特徴とする請求項1又は2に記載の冷却装置(7)。   At least one of the heat transfer devices (14a, 14b) has a metal connection (17a, 17b) excellent in heat conduction characteristics, and refrigerant evaporated from the liquid tank (2a, 2b) of the cryostat (1). (18a, 18b) is liquefied at the end of the metal connection and then returned to the liquid tank (18a, 18b) of the liquid tank (2a, 2b) of the cryostat (1). Or the cooling device (7) of 2. 前記低温冷凍機はパルスチューブ冷凍機又はギボード・マクマーン冷凍機であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   The cooling device (7) according to any one of claims 1 to 3, wherein the low-temperature refrigerator is a pulse tube refrigerator or a Gibéd McMean refrigerator. 両端が開口し且つバルブ及び又はポンプを挿入可能な少なくとも1つの接続管路(23)を有し、最も低い沸点を有する冷媒(18a)を収容すると共に熱伝達装置(14a)が導入されない液体タンク(2a)の少なくとも1つのネックチューブ又はサスペンションチューブ(3c)に低温冷凍機の前記コールドヘッド(10)を前記接続管路を介して接続可能であり、前記接続管路(23)は、前記コールドヘッド(10)の少なくとも2つのコールドステージ(11,12)および随意には最冷コールドステージ(12)上の蓄冷器チューブ(25)と熱接触しており、前記接続管路(23)は、最冷コールドステージ(12)との熱接触後、前記コールドヘッド(10)に取り付けられた空洞部(15a)内で終端し又は前記金属製コネクション(17a)に沿って液体タンク(2a)内に案内されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   A liquid tank having at least one connecting line (23) that is open at both ends and into which a valve and / or a pump can be inserted, contains the refrigerant (18a) having the lowest boiling point, and is not introduced with a heat transfer device (14a) The cold head (10) of a low-temperature refrigerator can be connected to at least one neck tube or suspension tube (3c) of (2a) via the connection pipe, and the connection pipe (23) In thermal contact with at least two cold stages (11, 12) of the head (10) and optionally a regenerator tube (25) on the coldest cold stage (12), said connecting line (23) being After thermal contact with the coldest cold stage (12), it terminates in the cavity (15a) attached to the cold head (10) or made of the metal Nekushon cooling device according to any one of claims 1, characterized in that it is guided to the liquid tank (2a) inside along (17a) 4 (7). 低温冷凍機の最冷コールドステージ(12)においてヘリウムを4.2K以下の温度で液化することができることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   The cooling device (7) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that helium can be liquefied at a temperature of 4.2K or lower in the coldest cold stage (12) of the low-temperature refrigerator. 低温冷凍機の前記コールドステージ(11)において液体窒素を77K以下の温度で生成することができることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   The cooling device (7) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that liquid nitrogen can be generated at a temperature of 77K or less in the cold stage (11) of a low-temperature refrigerator. 低温冷凍機の前記コールドヘッドの、最冷コールドヘッドでないコールドステージ(11)は、前記コールドヘッド(10)を少なくとも部分的に包囲する放射シールド(13)に熱伝導可能に接続されることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   The cold stage (11) of the cold head of the low-temperature refrigerator, which is not the coldest cold head, is connected to a radiation shield (13) that at least partially surrounds the cold head (10) in a heat conductive manner. The cooling device (7) according to any one of claims 1 to 7. 前記熱伝達装置(14a,14b)は少なくとも部分的に前記外側ジャケット(8)内に配置されることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   9. Cooling device (7) according to any one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer device (14a, 14b) is at least partly arranged in the outer jacket (8). 前記熱伝達装置(14a,14b)は、前記外側ジャケット(8)の外側の領域で第1チューブ(19a,19b)により少なくとも部分的に包囲されることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   The heat transfer device (14a, 14b) is at least partially surrounded by a first tube (19a, 19b) in a region outside the outer jacket (8). The cooling device (7) according to claim 1. 前記熱伝達装置(14a,14b)を包囲する前記第1チューブ(19a,19b)は一端で開口しており、前記開口端は前記外側ジャケット(8)の前記真空チャンバ(9)に接続され、他端は導管(16a,16b)または前記熱伝達装置(14a,14b)の金属製コネクション(17a,17b)に気密に接続されることを特徴とする請求項10に記載の冷却装置(7)。   The first tube (19a, 19b) surrounding the heat transfer device (14a, 14b) is open at one end, and the open end is connected to the vacuum chamber (9) of the outer jacket (8), 11. Cooling device (7) according to claim 10, characterized in that the other end is hermetically connected to a conduit (16a, 16b) or a metal connection (17a, 17b) of the heat transfer device (14a, 14b). . 前記熱伝達装置(14a,14b)を包囲する前記第1チューブ(19a,19b)は、両端が気密に前記導管(16a,16b)又は前記熱伝達装置(14a,14b)の金属製コネクション(17a,17b)に接続され、真空排気用の別のコネクションが設けられていることを特徴とする請求項10に記載の冷却装置(7)。   The first tube (19a, 19b) surrounding the heat transfer device (14a, 14b) is airtight at both ends, and the metal connection (17a) of the conduit (16a, 16b) or the heat transfer device (14a, 14b). 17b), the cooling device (7) according to claim 10, characterized in that another connection for evacuation is provided. 前記導管(16a)又は前記熱伝達装置(14a)の前記金属製コネクション(17a)は、前記放射シールド(13)に熱伝導可能に接続された第2チューブ(20)により少なくとも部分的に包囲され、前記第2チューブ(20)は前記第1チューブ(19a)内に配置されることを特徴とする請求項1ないし12のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   The metal connection (17a) of the conduit (16a) or the heat transfer device (14a) is at least partially surrounded by a second tube (20) connected to the radiation shield (13) in a heat conductive manner. The cooling device (7) according to any one of claims 1 to 12, wherein the second tube (20) is arranged in the first tube (19a). 前記導管(16a,16b)又は熱伝導特性に優れた前記金属製コネクション(17a,17b)は、前記熱伝達装置(14a,14b)を包囲するチューブを含めて、少なくとも区間的にフレキシブルであり、特に、ベローとして又はワイヤをひもに編んだ形で設計されることを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   The conduit (16a, 16b) or the metal connection (17a, 17b) having excellent heat conduction characteristics is flexible at least in sections, including a tube surrounding the heat transfer device (14a, 14b), 14. Cooling device (7) according to any one of claims 1 to 13, characterized in particular as a bellows or in the form of a braided wire. 前記冷却装置(7)は、冷媒液体(18a,18b)を保持するクライオスタット(1)に気密に取り付け可能であることを特徴とする請求項1ないし14のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   The cooling device (1) according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the cooling device (7) can be hermetically attached to a cryostat (1) holding a refrigerant liquid (18a, 18b). 7). 前記冷却装置(7)は、振動を伝達しない柔らかい接続要素(31a,31b)によりクライオスタット(1)の外側に取り付け可能であることを特徴とする請求項1ないし14のいずれか1項に記載の冷却装置(7)。   15. The cooling device (7) according to any one of claims 1 to 14, characterized in that it can be attached to the outside of the cryostat (1) by means of soft connecting elements (31a, 31b) that do not transmit vibrations. Cooling device (7). 請求項1ないし16のいずれか1項に記載の冷却装置(7)を特徴とするクライオスタット構造。   A cryostat structure comprising the cooling device (7) according to any one of claims 1 to 16. 前記冷却装置(7)は超伝導磁石装置(5)とくにクライオスタット構造を冷却する役割を奏し、前記超伝導磁石装置(5)は核磁気共鳴用の装置の一部とくに磁気共鳴画像(MRI)装置又は磁気共鳴分光装置(核磁気共鳴、NMR)の一部であることを特徴とする請求項17に記載のクライオスタット構造。   The cooling device (7) plays a role of cooling a superconducting magnet device (5), particularly a cryostat structure, and the superconducting magnet device (5) is a part of a device for nuclear magnetic resonance, particularly a magnetic resonance imaging (MRI) device. Alternatively, the cryostat structure according to claim 17, which is a part of a magnetic resonance spectrometer (nuclear magnetic resonance, NMR). 電気ヒータ(22a,22b)を少なくとも1つの液体タンク(2a,2b)のサスペンション又はネックチューブ(3c)を介して前記液体タンク(2a,2b)に挿入可能であることを特徴とする請求項17に記載のクライオスタット構造。   The electric heater (22a, 22b) can be inserted into the liquid tank (2a, 2b) via a suspension or neck tube (3c) of at least one liquid tank (2a, 2b). The cryostat structure described in 1.
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