JP2006046896A - Lossless cryogen cooling device for cryostat configuration - Google Patents
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Abstract
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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