JP2006270022A - 低温容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、液体ヘリウム槽等の低温内槽にその外側の熱シールド部材が接触する異常事態を的確に検出できるようにする。
【解決手段】 液体ヘリウム槽１４と液体窒素槽１８との間に熱シールド板１６が介在する低温容器１０において、前記熱シールド板１６が液体ヘリウム槽１４または液体窒素槽１８に異常接触しているか否かを判別すべく、熱シールド板１６及び槽１４，１８を導電性材料で構成し、かつ、熱シールド板１６を液体ヘリウム槽１４から電気的に絶縁する。例えば、熱シールド板１６と液体ヘリウム槽１４との間に、熱伝導性の高い窒化アルミニウム等の電気絶縁部材を介在させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導マグネット及びその冷却のための液体ヘリウム等を収容する低温容器に関するものである。

近年、超電導マグネットが核磁気共鳴分析装置（以下、ＭＲＳ装置と称する。）や医療診断用核磁気共鳴コンピュータ断層撮影装置（ＭＲＩ装置）等に応用されるのに伴い、前記超電導マグネットを液体ヘリウム等の低温液体で冷却するためのクライオスタット等の開発が急速に進められている（特許文献１）。

図４は、前記ＭＲＳ装置に用いられるクライオスタットの一例を示したものである。このクライオスタット１０は、その内側から順に、超電導マグネット１２及び液体ヘリウム１３を収容する液体ヘリウム槽（内槽）１４と、熱シールド板（熱シールド部材）１６と、液体窒素槽（外槽）１８と、これら全体を収容する真空容器２０とを備えている。

前記超電導マグネット１２は、コイル素線が中空状に巻回されてドーナツ状に形成されたものであり、その形状に応じて前記液体ヘリウム槽１４、熱シールド板１６、液体窒素槽１８、及び真空容器２０も中央の中空部分（試料空間）を取り巻くドーナツ状となっている。

前記液体窒素槽１８は、その周壁が容器状に形成され、この周壁部分に液体窒素１９を収容している。そして、その周壁部分の内側に前記液体ヘリウム槽１４が収容され、さらに、この液体ヘリウム槽１４と液体窒素槽１８との間に前記熱シールド板１６が介在している。

前記液体ヘリウム槽１４及び液体窒素槽１８の上部からは小径で長尺の首管１４ａ，１８ｂがそれぞれ上方に延設されている。これら首管１４ａ，１８ｂに対応して真空容器２０の上部にも管部２１，２２が延設されており、これらの管部２１，２２に前記各首管１４ａ，１８ｂが挿入された状態で当該首管１４ａ，１８ｂの上端部が管部２１，２２の上端部に溶接で固定されている。また、熱シールド板１６及び液体窒素槽１８から延設された首管１６ａ，１８ａの上端部は前記首管１４ａの途中の個所に固定されている。

前記首管１６ａの構造例を図５に示す。図示の首管１６ａは、熱シールド板１６の本体とは別の部材として構成され、その下端部がボルト２８によって熱シールド板１６の天板１６ｂに締結される一方、上端が前記液体ヘリウム槽１４の首管１４ａの外周面に半田付け等で固着されている。

なお、前記各槽１４，１６，１８の振れを規制するため、これらの槽１４，１６，１８の底面に複数個の突出部２４が周方向に沿って設けられるとともに、これらの突出部２４のうち、液体ヘリウム槽１４の底面に設けられた突出部２４が支持棒２６を介して熱シールド板１６の側壁下部に連結され、同様に、熱シールド板１６の底面に設けられた突出部２４が液体窒素槽１８の側壁下部に、液体窒素槽１８の底面に設けられた突出部２４が真空容器２０の側壁下部に、それぞれ支持棒２６を介して連結されている。
実開平６−２９１０９号マイクロフィルム

前記低温容器の小型化を図るためには、前記液体ヘリウム槽１４、熱シールド板１６、液体窒素槽１８、及び真空容器２０の各部材同士の隙間を小さく抑えることが望ましい。特に、図示のような中空状の超電導マグネット１２は、主としてその中心付近の空間が試料空間として活用される関係から、この超電導マグネットの小型化及び軽量化を図りながら前記試料空間に十分な強さの磁場を形成するには、当該マグネットの巻線部分の内側面をなるべく前記試料空間に近づける必要があり、このような要求を満たすためには、必然的に隣接する部材同士の隙間を小さく抑えることが必要となる。

しかしながら、このように各部材間の隙間を抑えると、僅かな組立誤差があっても、低温容器の冷却時に隣接する部材同士が接触するおそれが高くなる。特に、超電導マグネットの高磁場化のために当該マグネットのコイル巻数が増やされると、必然的に各部材の軸長（図例では縦方向の寸法）が大きくなり、その分断面形状のひずみや撓みが大きくなるため、前記接触のおそれが高くなる。

かかる事情により、例えば前記図４に示した熱シールド板１６が液体ヘリウム槽１４に接触すると、同槽１４への熱侵入量が大幅に増え、液体ヘリウムの蒸発速度が増加して本来の設計値を超えてしまう。このような異常事態はいち早く検出して迅速に対応することが望まれる。

このような異常事態を検出する方法として、例えば前記熱シールド板１６に温度センサを取付け、この熱シールド板１６から前記液体ヘリウム槽１４への熱侵入に伴う熱シールド板１６の温度低下を検出することが考えられるが、当該熱シールド板１６の温度が低下する原因は必ずしも液体ヘリウム槽１４との接触に限られないため、前記異常事態の有無を正確に判定することは困難である。

例えば、超電導マグネット１２の内部に発熱がある場合や、液体ヘリウムに熱振動が発生する場合、これに起因して液体ヘリウム槽１４内の液体ヘリウムの蒸発速度が上昇し、首管１４ａを流れるヘリウムガスの量が増えるため、この場合にも、前記首管１４ａに首管１６ａが接触している熱シールド板１６の温度が異常に低下し得る。従って、このような熱シールド板１６の温度低下を検出するだけでは、その温度低下が前記液体ヘリウム槽１４等との異常接触に起因するものであるのか否かを明確に判別することは難しい。

本発明は、このような事情に鑑み、簡単な構成で、液体ヘリウム槽等の低温内槽にその外側の熱シールド部材が接触する異常事態を的確に検出できるようにすることを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、導電性を有する材料からなり、超電導マグネット及びその冷却のための低温液体を収容する内槽と、この内槽を収容する外槽とを備え、前記内槽と外槽との間に、少なくとも前記内槽から電気的に絶縁された状態で、導電性を有する材料からなる熱シールド部材が介在しているものである。

この低温容器によれば、内槽と熱シールド部材とが不当な部位で接触していない状態では、これら内槽と熱シールド部材との間が電気的に絶縁されているので、当該内槽と熱シールド部材との間の電気抵抗はほぼ無限大となる。従って、例えばこの電気抵抗を測定することにより、当該内槽と熱シールド部材との不当な接触の有無を正確に判別することができる。すなわち、前記内槽と熱シールド部材との間の電気抵抗が異常に低下していれば、その熱シールド部材が内槽またはこの内槽と電気的に導通している部位（例えば外槽）に不当に接触していると判定することができる。

この低温容器の具体的構成としては、前記熱シールド部材が熱伝導性を有する電気絶縁部材を介して前記内槽に接続されているものが、好適である。

この構成によれば、前記熱シールド部材と前記内槽とを電気的に絶縁させながら両者間を熱伝導可能な状態で接続して熱シールド部材の良好な冷却を図ることができる。

前記電気絶縁部材としては、例えば窒化アルミニウムからなるものが、好適である。このような電気絶縁部材を用いれば、前記熱シールド部材と前記内槽との間に高い電気絶縁性及び熱伝導性を両立させることができる。

前記熱シールド部材と前記内槽とを接続するための具体的な構造としては、前記内槽が容器外部に通ずる首管を有し、この首管の周囲に前記電気絶縁部材が配設され、この電気絶縁部材に前記熱シールド部材が熱伝導可能となる状態で接続されているものが、好適である。

この構造によれば、内槽の首管との熱シールド部材との間に電気絶縁部材を介入させるだけの簡単な構造で、当該内槽と熱シールド部材とを電気絶縁しながら熱伝導可能となる状態で接続することができる。

特に、前記電気絶縁部材が前記首管の周方向に分割される一方、前記熱シールド部材は前記首管の周囲に相互組合わされた電気絶縁部材を径方向外側から締め付ける締付部を有し、この締付部の締付けにより前記電気絶縁部材が前記首管と前記締付部の双方に圧接するように構成すれば、複数に分割された電気絶縁部材を首管周囲に容易に配設することができるとともに、この電気絶縁部材を熱シールド部材側の締付部によって径方向外側から締め付けて当該締付部と前記首管の双方に圧接させることにより、簡単な作業で前記首管と熱シールド部材とを前記電気絶縁部材を介して熱伝導可能に接続することができる。

以上のように、本発明によれば、導電性を有する内槽と熱シールド部材との間を電気的に絶縁することにより、両者間の電気抵抗を測定するだけの簡単な作業で前記熱シールド部材の不当な部位への接触を確実に検出することができる効果がある。

本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、この実施の形態に係る低温容器であるクライオスタット１０の左半部を示したものである。このクライオスタット１０の基本構成は前記図４に示したものと同等であり、その図４に示される構成要素に対応する構成要素については同じ参照符を付してその説明を省略する。

この実施の形態に係るクライオスタット１０では、液体ヘリウム槽１４、熱シールド板１６、及び液体窒素槽１８がそれぞれ導電性を有する材料で構成されている。その具体的な材質は特に問わないが、前記液体ヘリウム槽１４の材質としては例えばステンレス鋼が好適であり、熱シールド板１６及び液体窒素槽１８の材質としては例えば熱伝導性に優れたアルミニウム合金が好適である。

さらに、この実施の形態に係るクライオスタット１０の特徴として、前記図４及び図５に示したものと異なり、内槽に相当する液体ヘリウム槽１４と外槽に相当する液体窒素槽１８との間に介在する熱シールド板１６が、前記液体ヘリウム槽１４に対して電気的に絶縁された状態で、かつ、熱伝導可能な状態で、当該液体ヘリウム槽１４に接続されている。

その構造の詳細を図２に示す。この図は、前記図１において破線３０で囲まれた部分の詳細図である。同図に示されるように、前記液体ヘリウム槽１４の首管１４ａの外周面と熱シールド板１６の首管１６ａの内周面との間に電気絶縁部材３４が介在しており、この電気絶縁部材３４を挟みこむようにして両首管１４ａ，１６ａ同士が締結されるようになっている。

前記電気絶縁部材３４は、図３に示すように全体が略円錐台状をなす電気絶縁材を首管１４ａの周方向に分割（図例では４分割）したものとなっており、それぞれが、前記首管１４ａの外周面に沿う円筒状の内周面３４ａと、上方に向かうに従って縮径する向きに傾斜する円錐状の外周面３４ｂとを有している。この電気絶縁部材３４の材質は、電気絶縁性及び熱伝導性の双方に優れたものが好ましく、具体的には窒化アルミニウムの焼結体が好適である。その他、窒化ケイ素やセラミックス等の使用も可能である。

前記電気絶縁部材３４を支持するための構造として、前記首管１４ａの外周面には、その適当な高さ位置に支持リング３６が半田付け等で固定されている。そして、この支持リング３６上に前記各電気絶縁部材３４を周方向に並べて載置するようにしながら当該電気絶縁部材３４を組み上げることが可能となっている。

これに対し、前記熱シールド板１６の首管１６ａは、その下端にフランジ部３１を有し、このフランジ部３１が熱シールド板１６の天板１６ｂにボルト２８で固定される一方、上端には拘束部３２を有している。この拘束部３２は、前記支持リング３６上で相互組み合わされた電気絶縁部材３４を径方向外側から拘束する形状を有している。具体的には、前記各電気絶縁部材３４の外周面３４ｂに密着可能な円錐状の内周面３２ｂを有するとともに、この内周面３２ｂと略平行な外周面を有し、この外周面の上部に雄ねじ３２ｓが刻まれている。

さらに、この構造では、前記雄ねじ３２ｓに螺合可能なテーパー状の雌ねじ３８ｓを有するテーパーナット３８を具備しており、当該テーパーナット３８の雌ねじ３８ｓを前記雄ねじ３２ｓに対して上側から螺合させていくことにより、前記拘束部３２さらにはその内側の電気絶縁部材３４が径方向内側に圧縮されるようになっている。

すなわち、前記拘束部３２及びテーパーナット３８は、前記電気絶縁部材３４を縮径方向に締め付ける締付部を構成しており、その締付けによって、前記電気絶縁部材３４の内周面３４ａが首管１４ａの外周面に圧接するとともに当該電気絶縁部材３４の外周面３４ｂが前記拘束部３２の内周面３２ｂに圧接するようになっている。

前記熱シールド板１６には、その温度を測定するための図略の温度センサが装着されている。

さらに、このクライオスタット１０においては、その熱シールド板１６と液体ヘリウム槽１４及び液体窒素槽１８との間の電気抵抗Ｒ１，Ｒ２を測定するための電気抵抗測定手段が設けられている。

具体的に、当該クライオスタット１０の下部においては、前記液体ヘリウム槽１４、熱シールド板１６、及び液体窒素槽１８の適当な部位（図１の例では底部）から導線４４，４６，４８がそれぞれ導出され、真空容器２０の側壁下部に設けられたコネクタ４２に接続されている。そして、このコネクタ４２を介して前記各導線４４，４６，４８が容器外の電気抵抗計４０に接続されている。この電気抵抗計４０は、前記各導線４４，４６，４８に適当な電圧をかけることにより、前記熱シールド板１６と前記液体ヘリウム槽１４との間の電気抵抗Ｒ１、及び、当該熱シールド板１６と液体窒素槽１８との間の電気抵抗Ｒ２をそれぞれ計測し、その計測値を表示する。

前記各導線４４，４６，４８については、例えばコンスタンタンのような熱伝導率の低いＣｕ−Ｎｉ合金等からなるものを用い、また、伝熱面積の小さい細径のものを用いることが、より好ましい。

なお、この実施の形態においても、前記図４に示した装置と同様に、前記各槽１４，１８及び熱シールド板１６の振れを規制するため、その部材同士の間及び液体窒素槽１８と真空容器２０との間にそれぞれ支持棒２６を介在させることが好ましいが、これらの支持棒２６にはカーボン等の絶縁材料を用いて部材間の電気絶縁を保つようにする。

次に、このクライオスタット１０における異常判定方法を説明する。

このクライオスタット１０の立上げが完了した時点（常温状態から液体ヘリウム槽１４内が液体ヘリウム温度まで低下した時点で）、液体ヘリウム槽１４と液体窒素槽１８との間に位置する熱シールド板１６の温度は、本来であれば約４０Ｋまで低下することになるが、仮にこの熱シールド板１６が不当な部位（例えば下部）で液体ヘリウム槽１４と接触していた場合、その温度は液体ヘリウム槽１４の設計温度（約4.2Ｋ）近くまで低下することになる。逆に、前記熱シールド板１６が液体窒素槽１８と接触していた場合、その温度は液体窒素槽１８の温度（約70Ｋ）近くまでしか低下しない。

ここで従来の低温容器では、前記熱シールド板１６の温度異常が前記のような液体ヘリウム槽１４や液体窒素槽１８との異常接触によるものなのか、あるいはそれ以外の要因（例えば超電導マグネット１２の内部発熱や液体ヘリウムの熱振動に起因する液体ヘリウムの蒸発速度上昇による熱シールド板１６の冷却）によるものなのかを明確に判別することが困難であったが、図示のクライオスタット１０では、熱伝導性を有する熱シールド板１６及び液体ヘリウム槽１４が電気的に相互絶縁されていることから、前記異常接触が生ずると当該異常接触がない場合に比べて熱シールド板１６と液体ヘリウム槽１４及び液体窒素槽１８との間の電気抵抗Ｒ１，Ｒ２が著しく低下するため、当該電気抵抗の測定により異常原因の判定を容易に行うことが可能になる。

具体的に、前記熱シールド板１６が液体ヘリウム槽１４とも液体窒素槽１８とも接触していない状態では、電気抵抗器４０により測定される前記電気抵抗Ｒ１，Ｒ２はともにほぼ無限大を維持するため、このような非導通状態で熱シールド板１６の温度に異常がある場合には、その異常が前記接触以外の原因によるものであると判定することができる。

これに対し、熱シールド板１６が液体ヘリウム槽１４に接触している状態では、両者間の電気抵抗Ｒ１はほぼ０となり、熱シールド板１６と液体窒素槽１８との間の電気抵抗Ｒ２は、前記電気抵抗Ｒ１よりも僅かに高い値（すなわち前記接触の部位から液体窒素槽１８と導線４８との接続部位に至るまでの導電経路がもつ微小抵抗が加わった値）となる。逆に、熱シールド板１６が液体窒素槽１８に接触している状態では、両者間の電気抵抗Ｒ２はほぼ０となり、熱シールド板１６と液体ヘリウム槽１４との間の電気抵抗Ｒ１は、前記電気抵抗Ｒ２よりも僅かに高い値（すなわち前記接触の部位から液体ヘリウム槽１４と導線４４との接続部位に至るまでの導電経路がもつ微小抵抗が加わった値）となる。従って、熱シールド板１６の温度に異常がある場合において、前記電気抵抗Ｒ１，Ｒ２にも異常があるときには、前記の温度異常が熱シールド板１６と液体ヘリウム槽１４または液体窒素槽１８との不当な接触によるものであると判定することができる。

なお、本発明では必ずしも熱シールド板１６の温度測定をしなくてもよく、前記電気抵抗Ｒ１，Ｒ２を測定するだけでも熱シールド板１６の異常接触の有無を推定することが可能である。

また、電気抵抗についても、必ずしも両電気抵抗Ｒ１，Ｒ２を測定する必要はなく、いずれか一方の電気抵抗のみを測定するようにしても、異常接触の有無は検知することが可能である。例えば、熱シールド板１６と液体窒素槽１８との間の電気抵抗Ｒ２のみを測定する場合でも、結果として熱シールド板１６と液体ヘリウム槽１４との間の電気抵抗を間接的に測定することになるので、その電気抵抗の監視によって熱シールド板１６と液体ヘリウム槽１４や液体窒素槽１８との不当な接触の有無を判定することができる。

内槽と熱シールド部材との間に電気絶縁部材を介在させるための具体的な構造についても、適宜設定可能である。例えば、図１に示す液体ヘリウム槽１４の首管１４ａの周囲にリング状の電気絶縁部材を固定し、この電気絶縁部材の上面または外周面に熱シールド板１６の首管１６ａを前記首管１４ａと非接触の状態で接合するようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係るクライオスタットの全体構造を示す断面正面図である。 前記クライオスタットにおける液体ヘリウム槽の首管と熱シールド板との接続構造を示す断面正面図である。 前記接続構造に用いられる電気絶縁部材の斜視図である。 従来のクライオスタットの一例を示す断面正面図である。 従来のクライオスタットにおける液体ヘリウム槽の首管と熱シールド板との接続構造例を示す断面正面図である。

符号の説明

１０ クライオスタット
１２ 超電導マグネット
１３ 液体ヘリウム
１４ 液体ヘリウム槽（内槽）
１４ａ 液体ヘリウム槽の首管
１６ 熱シールド板（熱シールド部材）
１６ａ 熱シールド板の首管
１８ 液体窒素槽（外槽）
２０ 真空容器
３２ 拘束部（締付部を構成）
３４ 電気絶縁部材
３８ テーパーナット（締付部を構成）
４０ 電気抵抗計
４４，４６，４８ 導線

Claims (6)

1. 導電性を有する材料からなり、超電導マグネット及びその冷却のための低温液体を収容する内槽と、この内槽を収容する外槽とを備え、前記内槽と外槽との間に、少なくとも前記内槽から電気的に絶縁された状態で、導電性を有する材料からなる熱シールド部材が介在していることを特徴とする低温容器。
2. 請求項１記載の低温容器において、前記熱シールド部材は、熱伝導性を有する電気絶縁部材を介して前記内槽に接続されていることを特徴とする低温容器。
3. 請求項２記載の低温容器において、前記電気絶縁部材が窒化アルミニウムからなることを特徴とする低温容器。
4. 請求項２または３記載の低温容器において、前記内槽は容器外部に通ずる首管を有し、この首管の周囲に前記電気絶縁部材が配設され、この電気絶縁部材に前記熱シールド部材が熱伝導可能となる状態で接続されていることを特徴とする低温容器。
5. 請求項４記載の低温容器において、前記電気絶縁部材が前記首管の周方向に分割される一方、前記熱シールド部材は前記首管の周囲に相互組合わされた電気絶縁部材を径方向外側から締め付ける締付部を有し、この締付部の締付けにより前記電気絶縁部材が前記首管と前記締付部の双方に圧接するように構成されていることを特徴とする低温容器。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の低温容器において、前記内槽と前記熱シールド部材との間の電気抵抗を測定する電気抵抗測定手段を備えたことを特徴とする低温容器。

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