JP4606059B2 - 極低温装置 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導磁石等を冷却する極低温装置に関するものである。

従来から、超伝導磁石（超伝導マグネット）を備える装置においては、その超伝導（超電導）特性を維持するために絶対零度近い極低温に保冷する必要があった。極低温に保冷する手段としては、液体ヘリウム等の冷媒中に超伝導磁石を浸漬する方法や、極低温冷凍機によって直接超伝導磁石を冷却する方法がある。
図８に従来の極低温装置１０１の構成を示す。この図には、医療用器具として知られるＭＲＩ（磁気共鳴断層撮影装置）の断面が示してあり、この装置は、中心軸が横向きのソレノイド型超伝導磁石１０３を有するものとなっている。

本極低温装置１０１はヘリウムガス再凝縮タイプであって、超伝導磁石１０３が冷媒１０４（液体ヘリウム）中に浸漬された状態で格納されている格納容器１０２と、この格納容器１０２を真空状態の空隙をもって取り囲んでいる真空容器１０５と、前記空隙内に格納容器１０２を取り囲むように配置されて、真空容器１０５から格納容器１０２への輻射熱を減らす作用を有する熱シールド体１０６とを有している。
さらに、真空容器１０５と熱シールド体１０６とを貫通して基部が格納容器１０２内に連通すると共に開口部が外部に開放された筒状の冷凍機スリーブ１０７と、前記冷媒１０４から生じた冷媒ガスを極低温で再凝縮するべく冷凍機スリーブ１０７内に配設されている冷凍機１０８を有している。

冷凍機スリーブ１０７と格納容器１０２とは連通しているため、格納容器１０２上部と冷凍機スリーブ１０７内には、超伝導磁石１０３の運転温度における飽和蒸気圧力の冷媒ガスが充満している。
前記冷凍機１０８は棒状長尺で、中途部が１段目冷却ステージ１１９、先端部が２段目冷却ステージ１２１の２段構成になっている。１段目冷却ステージ１１９は熱シールド体１０６と熱的に連結されており、２段目冷却ステージ１２１が再凝縮器１３０（フィン）と熱的に接続されていていて、２段目冷却ステージ１２１において極低温（約４Ｋ）でも十分なる冷凍能力を持つものとなっている。したがって、再凝縮器１３０は、その表面温度が冷媒温度よりも低く保たれることになり、冷媒１０４のガス相と接触することで液体に戻すことができようになっている。この仕組みにより、極低温装置１０１は冷凍機１０８が動作する限り冷媒１０４を補充する必要がない。

前記冷凍機１０８に関しては、定期的なメンテナンスを行うためにその運転を中断することがある。メンテナンスの場合は、冷凍機スリーブ１０７から冷凍機１０８を抜き取り、新しい冷凍機１０８を冷凍機スリーブ１０７に挿入した後、起動させて、新しい冷凍機１０８が定常状態になるまで待つ。
このメンテナンス作業に関しては、以下に述べる大きな問題が発生する可能性がある。 すなわち、冷凍機１０８をスリーブから抜き取る場合、冷凍機１０８が排除していた容積分の大気や水蒸気が外部から侵入する場合があって、侵入した大気・水蒸気は、一瞬のうちに冷凍機スリーブ７内部で凝縮し固着してしまうことになる。なぜならば、冷凍機スリーブ１０７の内部は外気温度よりも低い状態にあり、一般にその温度は熱シールド体１０６で３０〜６０Ｋ、冷凍機スリーブ７の底で３〜５Ｋ程度だからである。

前記固着した大気（酸素や窒素）や水分により、新たに装着した冷凍機１０８の１段目冷却ステージ１１９と熱シールド体１０６との間の熱的接続が悪くなり、冷凍機１０８の能力を十分発揮できなくなるといった問題が生じる。
すなわち、１段目冷却ステージ１１９と熱シールド体１０６の接続が良好でない場合、接触熱抵抗が大きくなり、熱シールド体１０６の温度が上昇して格納容器１０２への熱侵入が増える。最悪の場合、格納容器１０２への熱侵入量が再凝縮器１３０の液化能力を上まわり、冷凍機１０８が稼動している間でも、冷媒１０４の蒸発分を全量再液化できなくなる。

このような大気の侵入を防ぎ、冷凍機１０８〜冷媒１０４間の熱抵抗を減らすという課題を解決する試みは多くなされており、例えば、特許文献１に記載された技術では、膨張収縮可能な可撓性を有するメンテナンス袋を冷凍機スリーブ１０７の基端側（装置外側）に取り付け、排気用ブロアの排気で収縮させて大気に排気し、ガス管からの冷媒ガスの導入で膨張させて冷媒ガスの雰囲気とし、この雰囲気中で冷凍機１０８のメンテナンスを行うようにしていた。
特開平５−２２３３７９号公報（第３頁〜第５頁、図４）

しかしながら、特許文献１に記載された技術は、冷凍機１０８の交換の際に、わざわざメンテナンス袋を別途取り付けると共に、袋内から大気を吸引するための排気用ブロア等を用意する必要があり、その準備は非常に面倒なものであった。
加えて、交換作業は、メンテナンス袋に設けられた一対のグローブを介して作業者がメンテナンス袋内に手を差し入れて行うものとなっており、煩雑な作業を強いられていた。メンテナンス袋が破ける等により作業が中断することもあった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、冷凍機スリーブ内に大気が侵入することを防ぎつつ簡単に冷凍機の交換作業が行える極低温装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明における課題解決のための技術的手段は、被冷却体が液体状の冷媒中に浸漬された状態で格納されている格納容器と、前記格納容器内に連通する基部と外部に対して開閉自在となっている開口部とを有する筒状の冷凍機スリーブと、前記冷媒から生じた冷媒ガスを再凝縮するべく冷凍機スリーブの開口部から挿入されている冷凍機とを備えている極低温装置において、前記冷凍機スリーブの基部から開口部へ向かうパージガス流を作るガス流生成手段が設けられていることを特徴とする。

極低温装置の冷凍機に関しては、定期的なメンテナンスを行うために、その運転を中断し、冷凍機スリーブから抜き取ることがある。その際、冷凍機が排除していた容積分の大気や水蒸気が外部から侵入し、冷凍機スリーブ内部が汚染させることになる。そこで、前記ガス流生成手段により、冷凍機スリーブ内に基部側から開口部側へ向かうパージガス流を生じさせることで、外部から冷凍機スリーブ内に入り込もうとする大気や水蒸気を吹き飛ばし、その侵入を確実に阻止することができる。
極低温装置には、その中に格納されている被冷却体を絶対零度近傍まで冷却するために、極低温となっている冷媒中に浸す方式をとっているものと、冷媒を使わずに冷凍機により直接被冷却体を冷却する直接冷却方式を採用しているものとがある。

直接冷却方式を採用している極低温装置の冷凍機においても、定期的なメンテナンスを行うために、その運転を中断し、冷凍機スリーブから抜き取ることがあり、前述の如く、冷凍機スリーブ内への大気混入を防ぐ必要がある。
したがって、本発明における課題解決のためのもう一つの技術的手段は、被冷却体が格納されている真空容器と、前記被冷却体に連結された基部及び外部に対して開閉自在となっている開口部を有すると共に真空容器の内部と前記外部とを遮断する側壁を備える筒状の冷凍機スリーブと、この冷凍機スリーブの開口部から挿入されて被冷却体を冷却する冷凍機とを備えている極低温装置において、前記冷凍機スリーブの基部から開口部へ向かうパージガス流を作るガス流生成手段が設けられていることを特徴とする。

これにより、冷媒を使わない直接冷却方式の極低温装置においても、冷凍機スリーブ内に基部側から開口部側へ向かうパージガス流が生じさせることで、外部から冷凍機スリーブ内に入り込もうとする大気や水蒸気を吹き飛ばし、その侵入を確実に阻止することができるようになる。
しかしながら、外部に向くガス流を、冷凍機を引き抜いた後に発生させたとしても、ガス流が安定するまでの間に大気や水蒸気が冷凍機スリーブ内に侵入し、凝固・固着することは否めない。したがって、冷凍機を引き抜く前から、ガス流を冷凍機スリーブ内に発生させておき、その流れが安定した状況下で冷凍機を外部側へ引き抜くようにするとよい。

ゆえに、前記ガス流生成手段は、冷凍機スリーブの基部に連通して冷凍機スリーブ内に外部からパージガスを供給するガス導入管と、冷凍機スリーブの開口部に設けられ且つ外部へのみ連通する逆止弁とを有するものなっている。
この構成によれば、ガス導入管により冷凍機スリーブの基部に供給されたパージガスは、冷凍機スリーブの開口部へ流れてゆき、逆止弁を通じて外部に放出されるようになって、冷凍機を抜き取る前から大気の侵入を防ぐガス流が生成されることになる。当然、冷凍機を抜き取った後もガス流は続き、大気の侵入を確実に防ぐことができる。

一方、前記冷凍機の運転が定常状態になり、再凝縮室の温度が極低温（４Ｋ付近）になったとき、ガス導入管内部には、室温から極低温に至る温度分布を持つパージガスが充満していることになる。このように大きな温度分布を持つパージガスが充満するガス導入管には、往々にして大きな脈動や振動を起こす熱音響振動が生じ、低温部に対して非常に大きな熱伝達が起こり、極低温を維持するには不都合な状況が生じる。
数々の研究や経験から、このような熱音響振動を解消するためには、振動が発生している管を大きな容器に接続するとよいことが判明している。そこで、前記ガス導入管を、開閉バルブを有するバイパス管を介して冷凍機スリーブの開口部側に連通するようにしている。

この構成により、ガス導入管未使用時に、バイパス管を介してガス導入管と大きい容積を有する冷凍機スリーブとを連通させることができて、管内の熱音響振動の発生を抑えることが可能となる。
また、前述の如く、冷凍機スリーブ内にパージガスを導入することにより、外部からの大気の侵入を防ぐことができるようになるが、当該冷凍機スリーブの基部は格納容器に連通しているために、その中にも侵入するようになる。侵入したパージガスは液化している冷媒ガス温度よりもはるかに高温であって、格納容器内の冷媒の蒸発を促し、冷媒の損失を生じることになる。

したがって、ガス導入管を通じて取り込まれたパージガスが、なるべく格納容器内に侵入しないようようにしなくてはいけない。そのため、前記冷凍機スリーブに、前記パージガス流が格納容器内に侵入することを防ぐガス侵入防止手段を設けるようにしている。
このガス侵入防止手段は、冷凍機スリーブの基部と格納容器との間に設けられた連結管を有し、この連結管の断面積は、冷凍機が挿入されている冷凍機スリーブの断面積より小さいものとなっている。
これにより、ガス導入管からでたパージガスは、断面積が小さくて圧力損失を生じる格納容器側へ流動することはなく、反対側の冷却機スリーブ開口部へ流れ、逆止弁を通って外部に放出されるようになる。

また、前記ガス侵入防止手段は、冷凍機スリーブの基部を開閉可能で且つその開閉状態が外部より操作自在である弁体を有する構成としてもよい。
この弁体で冷凍機スリーブの基部側を閉塞することで、パージガスが格納容器側へ流動することがなくなる。
なお、前記弁体は、付勢手段により冷凍機スリーブの基部を開状態とする方向へ付勢されていると共に、前記付勢力に抗し基部を閉状態とするように引っ張るための索体が連結されていて、この索体はガス流生成手段に備えられたガス導入管内を通って外部に導出しており外部からの引っ張り操作が可能とするとよい。

この構成により、ワイヤのような索体を引き上げると弁体が冷凍機スリーブの基部を閉塞し、逆に、索体を開放すると付勢手段により弁体が冷凍機スリーブの基部から離れる方向に移動し、基部が開放状態となる。
なお、前記冷凍機スリーブの基部側と接触する弁体の部位には、ハンダ層又はインジウム層を設けるとよい。
これにより、冷凍機スリーブと弁体との間が、弾性変形容易な柔らかい金属で塞がれ、パージガスの侵入を確実に防ぐことができるようになる。
なお、本発明における課題解決のためのさらに好ましい技術的手段は、被冷却体が液体状の冷媒中に浸漬された状態で格納されている格納容器と、前記格納容器内に連通する基部と外部に対して開閉自在となっている開口部とを有する筒状の冷凍機スリーブと、前記冷媒から生じた冷媒ガスを再凝縮するべく冷凍機スリーブの開口部から挿入されている冷凍機とを備えている極低温装置において、前記冷凍機スリーブの基部から開口部へ向かうパージガス流を作るガス流生成手段が設けられ、前記ガス流生成手段は、冷凍機スリーブの基部に連通して冷凍機スリーブ内に外部からパージガスを供給するガス導入管と、冷凍機スリーブの開口部に設けられ且つ外部へのみ連通する逆止弁とを有し、前記ガス導入管は、開閉バルブを有するバイパス管を介して冷凍機スリーブの開口部側に連通していることを特徴とする。
本発明における課題解決のためのもう一つの好ましい技術的手段は、被冷却体が格納されている真空容器と、前記被冷却体に連結された基部及び外部に対して開閉自在となっている開口部を有すると共に真空容器の内部と前記外部とを遮断する側壁を備える筒状の冷凍機スリーブと、この冷凍機スリーブの開口部から挿入されて被冷却体を冷却する冷凍機とを備えている極低温装置において、前記冷凍機スリーブの基部から開口部へ向かうパージガス流を作るガス流生成手段が設けられ、前記ガス流生成手段は、冷凍機スリーブの基部に連通して冷凍機スリーブ内に外部からパージガスを供給するガス導入管と、冷凍機スリーブの開口部に設けられ且つ外部へのみ連通する逆止弁とを有し、前記ガス導入管は、開閉バルブを有するバイパス管を介して冷凍機スリーブの開口部側に連通していることを特徴とする。

本発明によれば、冷凍機スリーブ内に大気が侵入することを防ぎつつ簡単に冷凍機の交換作業が行えるようになる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づき説明する。
図１に示すものは、極低温装置の一例であるＭＲＩの模式断面である。
本極低温装置１は格納容器２を有しており、この格納容器２内に、被冷却体３である超伝導磁石３が液体状の冷媒４すなわち液体ヘリウム中に浸漬された状態で格納されている。さらに、前記格納容器２は一定の空隙をもって真空容器５により取り囲まれており、この空隙は真空状態である。格納容器２と真空容器５の間つまり前記空隙内には、格納容器２を取り囲むように熱シールド体６が配置されている。

また、真空容器５と熱シールド体６とを貫通する円筒状の冷凍機スリーブ７が設けられており、この冷凍機スリーブ７の基部は格納容器２内に連通すると共に、開口部は真空容器５の外部すなわち装置外部に開放されるようになっている。
冷凍機スリーブ７内には、絶対零度近くまで冷却可能な冷凍機８（極低温冷凍機ユニット）が冷凍機スリーブ７の開口部から着脱自在に挿入されている。
なお、以下説明において、図１の上下を上下方向と呼ぶようにする。従って、冷凍機スリーブ７の基部側を下端側、開口部側を上端側と呼ぶ。上端側は外部に開放されているので開放側とも呼ぶ。

本極低温冷凍機８はＭＲＩであるため、格納容器２は軸芯が水平方向を向くドーナツ形状となっており、その内周壁１０と外周壁１１が所定間隔を有して同芯円状に配置され、その両端は側壁１２により閉じられ内部空間が形成されている。内周壁１０〜軸芯間は外部に連通する円筒状空間となっており、この空間内に検査対象や被験者が入り込むようになっている。
前記格納容器２の内部空間には、被冷却体であるソレノイド状の超伝導磁石３が約４Ｋの液体ヘリウム４に浸漬された状態で格納されている。液体ヘリウム４は超伝導磁石３を浸すのに必要十分な量が格納容器２内に供給されているものの、格納容器２内に満タン状態とはなっていない。格納容器２の上部には、超伝導磁石３の運転温度における飽和蒸気圧力の冷媒ガスが充満している。

真空容器５も格納容器２と略同様のドーナツ形状を有し、その内部空間に前記格納容器２が同軸状に配置されている。真空容器５を構成している各周壁及び各側壁と格納容器２とは一定の空隙を有するようになっており、この空隙は真空状態となっている。真空状態とすることに、伝導や対流による外部からの熱伝達が確実に遮断されるようになっている。
前記空隙内には、格納容器２を取り囲むように熱シールド体６が配置されている。この熱シールド体６は外部からの熱輻射（放射）を遮る働きをする。

つまり、図１に示す如く、超伝導磁石３、格納容器２、熱シールド体６及び真空容器５は全て同芯状に配置されている。
前記格納容器２は、外部へヘリウムガスを逃がすための安全手段１５を備えている。この安全手段１５は、格納容器２から外部に連通するように設けられた安全排出管１６と、それに設けられた安全弁１７（逆止弁）からなる。この安全手段１５により、真空容器５の真空度が劣化するなどの何らかの原因で熱侵入量が増加し格納容器２内の液体ヘリウム４が蒸発したとしても、ヘリウムガスを確実に外部に導出することができ、格納容器２内圧の上昇による装置破壊を防止することができる。

図２には、前記冷凍機スリーブ７及びその内部に挿入される冷凍機８の構造が示されている。
冷凍機スリーブ７は、後述する冷凍機８の１段目冷却ステージ１９を囲うように設けられている上部スリーブ２０と、２段目冷却ステージ２１を囲繞する下部スリーブ２２とからなる。
上部スリーブ２０は、熱の不良導体で円筒状に形成され、その上端すなわち開口部には径外方向に突出する上部フランジ２３が形成されている。上部スリーブ２０の上下方向中途部は、上下方向の変形を吸収するためにベローズ２４となっている。

前記開口部には、冷凍機８と一体となっている上蓋２５がＯリング２６を介して気密状に嵌合しており、この上蓋２５は上部フランジ２３に着脱自在に固定されるようになっている。上部フランジ２３には、上蓋２５と真空容器５との相対高さを調整する調整ボルト２７が設けられている。
上部スリーブ２０の下端側には下部フランジ２８が形成され、冷凍機８の１段目冷却ステージ１９と接触している。さらに、この下部フランジ２８は、銅の編み組線などの熱伝導体１８で熱シールド体６と熱的にリンクされている。

下部スリーブ２２は、熱の不良導体で構成され、その上端側は、前記下部フランジ２８に連結されている。下部スリーブ２２の下端側は漏斗状になっており、さらに蛇腹状で変形を吸収できる連結管２９を介して格納容器２の内部に連通している。この空間には飽和蒸気圧のヘリウムガスが充満している。
この連結管２９の断面積は、冷凍機８が挿入されている冷凍機スリーブ７の中途部の空隙の断面積より小さいものとなっている。
上述した冷凍機スリーブ７内に挿入される冷凍機８は、ＧＭ冷凍機８でその形状は棒状長尺であって、中途部が１段目冷却ステージ１９、先端部が２段目冷却ステージ２１の２段構成になっている。冷凍機８の基端側（１段目冷却ステージ１９の後方）に前記上蓋２５が固定されるようになっている。

１段目冷却ステージ１９は、前記熱シールド体６に熱的に接続され、熱シールド体６を強力に冷却することで、液体ヘリウム４の温度が上がることを防いでいる。加えて、１段目冷却ステージ１９には、温度計測用センサを挿入するための開口（図示せず）等が形成されているため、後述するパージガス流がこの開口を介して上方へ流れるようになっている。
２段目冷却ステージ２１は下部スリーブ２２内に配設され、その先端に熱的良導体（例えば銅製）から構成されたフィン形状の再凝縮器３０を備えている。当該２段目冷却ステージ２１は１段目冷却ステージ１９よりも冷凍能力が小さいものの、その部位の温度は４Ｋ以下となり得る。再凝縮器３０はその表面温度が液体ヘリウム温度よりも低く保たれることになり、ヘリウムガスと接触することで再液化できようになっている。この仕組みにより、冷凍機８が動作する限り、格納容器２内に液体ヘリウム４を補充する必要がない。

前記冷凍機８に関しては、定期的なメンテナンスを行うために、その運転を中断することがある。メンテナンスの場合は、冷凍機スリーブ７から冷凍機８を抜き取り、新しい冷凍機８を冷凍機スリーブ７に挿入した後、起動させて、新しい冷凍機８が定常状態になるまで待つ。
冷凍機８を冷凍機スリーブ７から抜き取る場合、冷凍機８が排除していた容積分の大気や水蒸気が外部から侵入する場合があり、侵入した大気・水蒸気は、一瞬のうちに冷凍機スリーブ７内部で凝縮し固着してしまうことになる。

そこで、冷凍機スリーブ７には、当該冷凍機スリーブ７内に外部から大気が侵入することを防ぐべく、その下端側（格納容器２側）から上端側（開放側）へ向かうパージガス流を作るガス流生成手段３１が設けられている。パージガス流は外部から供給されたヘリウムガスの流れとしている。
前記ガス流生成手段３１は、冷凍機スリーブ７の基部に連通し冷凍機スリーブ７内にヘリウムガスを供給するガス導入管３２と、冷凍機スリーブ７の開口部に設けられ且つ外部へのみ連通する逆止弁３３とを有している。

詳しくは、ガス導入管３２は熱伝導率の小さい材質で構成された中空管であって、先端が冷凍機スリーブ７の側壁であって再凝縮器３０より下方側へ連通している。ガス導入管３２の基端は熱シールド体６及び真空容器５を貫通して外部に配管されて、開閉弁３４などを介してヘリウムガスボンベ（図示せず）に接続されている。
一方、上蓋２５には、冷凍機スリーブ７内部と連通する排出管３５が設けられると共にこの排出管３５には逆止弁３３が装着されており、冷凍機スリーブ７の内圧が大気圧に対して所定圧力以上になった場合、内部のヘリウムガスを外部に放出し内圧を一定に保持するようになっている。

また、前記ガス導入管３２は、開閉バルブ３７を有するバイパス管３８を介して冷凍機スリーブ７の開口部に連通している。
すなわち、ガス導入管３２の外部に突出している部位からバイパス管３８が分岐しており、このバイパス管３８は、開閉バルブ３７を介して、上部スリーブ２０の側壁で真空容器より外側に突出している部分に接続されている。
開閉バルブ３７を開状態とすることにより、ガス導入管３２の基端側は冷凍機スリーブ７の基端側とが連通し、閉状態とすることで、ガス導入管３２に導入されたヘリウムガスは冷凍機スリーブ７の下端側へのみ供給されるようになる。

前記冷凍機８に関しては、定期的なメンテナンスを行うために、その運転を中断することがある。メンテナンスの場合は、冷凍機スリーブ７から冷凍機８を抜き取り、その後、新しい冷凍機８を冷凍機スリーブ７に挿入する。
装着されている冷凍機８を抜き取る際には、まず、ガス導入管３２を介して、冷凍機スリーブ７の下端側にほぼ断熱的にヘリウムガス（パージガス）を流し込むようにする。導入されたヘリウムガスは、再凝縮器３０の下方から下部スリーブ２２及び上部スリーブ２０を通り、冷凍機８全体を暖めつつ逆止弁３３より大気中へ出て行く。

次に、例えば、再凝縮器３０近傍の温度が酸素の沸点以上になったところで、ガス導入を継続しながら、冷凍機スリーブ７の上蓋２５と冷凍機８とを一緒に上側に引き上げる。冷凍機８を冷凍機スリーブ７から完全に抜いた後でも、下端側から上端側へのヘリウムガス流を持続させつつ、新しい冷凍機８を装着するようにする。
こうすることで、冷凍機スリーブ７の下端から上方へ向かうパージガス流が常に存在することになり、冷凍機スリーブ７内に大気（酸素、窒素、水蒸気など）が混入することを確実に防ぐことができるようになる。

新しい冷凍機８の挿入が完了した時点で、開閉弁３４を閉じてヘリウムガスの注入を終了し、バイパス管３８を連通状態とした上で、極低温冷凍機８を再起動する。
なお、冷凍機８を引き抜く前から、ヘリウムガス流を冷凍機スリーブ７内に発生させておくことは非常に好ましい。なぜならば、ヘリウムガス流を、冷凍機８を引き抜いた後に発生させた場合、ヘリウムガス流が安定するまでの間に大気や水蒸気が冷凍機スリーブ７内に侵入し、凝固・固着することは否めない。
冷凍機８を引き抜く前から、「冷凍機スリーブ７下端側→１段目冷却ステージ１９の開口→逆止弁３３→外部」というパージガス流を冷凍機スリーブ７内に発生させておくことで、その流れが安定した状況下で冷凍機８を外部側へ引き抜くことが可能となり、大気の混入を確実に防ぐことができる。

なお、冷凍機スリーブ７の下端側に設けられた連結管２９の断面積は、冷凍機８が挿入されている冷凍機スリーブ７中途部の空隙の断面積（すなわち、冷凍機スリーブ７の断面積 ー 冷凍機８の断面積）より小さいため、冷凍機スリーブ７内に導入されたヘリウムガスは、断面積が小さくて圧力損失を生じる格納容器２側へ流動しにくく、反対側の冷凍機スリーブ７の上端側へ流れ、逆止弁３３を通って外部に放出されるようになる。すなわち、この連結管２９は、ガス導入管３２からのヘリウムガス流が格納容器２内に侵入することを防ぐガス侵入防止手段３９として作用することとなる。

一方、バイパス管３８の果たす役割は以下の通りである。
冷凍機８を再起動した後、定常状態になり、再凝縮室の温度が４Ｋ付近になったとき、ガス導入管３２内部には、室温から絶対零度付近に至る温度分布を持つヘリウムガスが充満する。このように大きな温度勾配を有するガスが充填された配管では、ガスの熱音響振動が生じると共に非常に大きな熱伝達が起こり、再凝結室へ向けての大きな熱侵入が発生する（例えば、超伝導・低温工学ハンドブック、（社）低温工学協会編を参照）。
しかし、バイパス管３８を設け、ガス導入管３２を冷凍機スリーブ７のように大きな容器に接続することで、この熱音響振動の発生を防止することが可能となる。

図３には、本実施形態の極低温装置１において、バイパス管３８の効果が端的に表れている状況が示されている。図中の右縦軸は、ガス導入管３２に設けられた開閉弁３４の位置で測定したガス導入管３２内の圧力振動の振幅と周波数とであって、左縦軸は２段目冷却ステージ２１の温度を示したものである。横軸は時間である。
冷凍機８が定常状態にあるときは、格納容器２の内圧は大気圧以下であり、液体ヘリウム４温度は約４Ｋである。ここで、開閉バルブ３７を閉じてバイパス管３８を閉塞すると、圧力変動の振幅や周波数が急激に上がると共に、再凝縮器３０の温度が急上昇する。これはガス導入管３２の中で発生した熱音響振動により、ガス導入管３２を経由して大きな熱が再凝縮器３０の近傍に入ったためである。逆に、この状態でバイパス管３８を連通状態にすると、再凝縮器温度は元に戻っていることがわかる。

本発明にかかる極低温装置の第２実施形態について以下の述べる。
図４、図５に示す如く、第２実施形態は、ガス侵入防止手段３９が第１実施形態とは大きく異なっているものの、他の構成は略同じである。
すなわち、ガス侵入防止手段３９は、冷凍機スリーブ７の基部を開閉可能で且つその開閉状態が外部より操作自在である弁体４０を有している。
すなわち、弁体４０は連結管２９の下側で且つ格納容器２につながる連結室３６内に設けられた銅製の円板体であって、連結管２９と連結室３６とをつなぐ口部４１を閉塞する水平状に配置された円板部４２と、円板部４２の縁端から垂下するように設けられている周縁部４３と、周縁部４３の下端から径外方向に突出するフランジ部４４とを有している。このフランジ部４４には上下方向に貫通する複数の貫通孔４５が形成されている。

かかる貫通孔４５を遊嵌するように支持棒４６が挿入されており、支持棒４６の上端は格納容器２の連通室３６の上部に固定されると共に、下端は弁体４０が抜け落ちないように抜け止め部材４７が設けられている。前記連通室３６の上部と弁体４０のフランジ部４４との間には、弁体４０を下方に付勢して開状態に保つバネ体４８が支持棒４６に巻き付くような形で設けられている（付勢手段）。
弁体４０の円板部４２上面であって前記口部４１と接触する部分には、平面視リング状の溝部４９が形成されており、その部分に２層のメッキ層５０が形成されている。下がハンダメッキ層５１で上がインジウムメッキ層５２である。メッキ層５０の材質は、それぞれ濡れ性の高い材質を選択した組み合わせ結果であり、またメッキ層５０の外側がインジウムであるのは、本低温仕切り弁が動作する低温でも比較的軟らかい性質を持つためである。

また、前記弁体４０には、前記付勢力に抗し口部４１を閉状態とするように引っ張るための索体５４（ワイヤ）が連結されていて、この索体５４はガス導入管３２内を通って外部に導出しており、外部からの引っ張り操作が可能となっている。
詳しくは、円板部４２の略中心には金属製のワイヤ５４の先端が取り付けられており、そのワイヤ５４は、筒状の案内管５５を通った上でガス導入管３２内に導入され、外部にでるようになっている。前記案内管５５は、一方開口が下方を向くと共に他方開口が略水平方向でガス導入管３２に連なる方向を向いており、冷凍機スリーブ７の漏斗状の部位に複数の支持脚５６で支持されている。この支持脚５６は格納容器２と冷凍機スリーブ７内とを仕切ってしまわないように棒形状をしている。

外部に出ているワイヤ５４の基端は引き上げハンドル５７に連結しており、この引き上げハンドル５７とガス導入管３２とは蛇腹体５８で接続されて、ガス導入管３２内部と外部とが確実に分離されるようになっている。この引き上げハンドル５７を操作することで、バネ体４８の付勢力に抗して、弁体４０を閉状態にすることができる。
第１実施形態と同様に、ガス導入管３２からヘリウムガスを冷凍機スリーブ７内に吹き込む際に、前記引き上げハンドル５７を操作して弁体４０により連結管２９の口部４１をシールする。すると、高温のヘリウムガスが格納容器２内に侵入することを防止でき、格納容器２内の液体ヘリウム４のガス化を防ぐことができる。

本発明にかかる極低温装置の第３施形態について以下述べる。
図６に示す如く、第３実施形態は、ガス侵入防止手段３９が第２実施形態とは大きく異なっているものの、他の構成は略同じである。
弁体４０は、円板状ではなく円錐状となっており、口部４１は弁体４０の円錐部６０が嵌り込む漏斗状（通常の漏斗を上下反対に配置したもの）となっている。この口部４１と接する円錐部６０の面には、第２実施形態と同様に２層のメッキ層５０が形成されている。

このように弁体４０を円錐状とすることで、口部４１との接触面積を広くすることができ、弁体４０による口部４１の密閉度を上げることが可能となる。
図７には、本発明の第４実施形態が示されている。
極低温装置においては、超伝導磁石を冷却するために、超伝導磁石を液体ヘリウム等の極低温冷媒中に浸す方式を採用しているものと、冷媒を使わずに冷凍機により直接的に冷却する直接冷却方式を行うものとがある。
図７に示された極低温装置１は、直接冷却方式を採用したものであって、被冷却体３が格納されている真空容器５と、前記被冷却体３に連結された基部及び外部に対して開閉自在となっている開口部を有すると共に真空容器５の内部と前記外部とを遮断する側壁を備える筒状の冷凍機スリーブ７と、この冷凍機スリーブ７の開口部から挿入されて被冷却体３を冷却する冷凍機８とを備えている。

この極低温装置１において、前記冷凍機スリーブ７の基部から開口部へ向かうパージガス流を作るガス流生成手段３１が設けられている。
詳しくは、当該極低温装置１は内部が真空状態となっている真空容器５を有しており、この真空容器５内に、被冷却体３である超伝導磁石がワイヤー等で宙吊りされた状態で格納されている。超伝導磁石３と真空容器５の間には、超伝導磁石３を取り囲むように熱シールド体６が配置されている。図７に示す如く、超伝導磁石３、熱シールド体６及び真空容器５は全て同芯状に配置されている。この図には前記軸芯が上下方向を向くものが示されている。

冷凍機スリーブ７は、冷凍機８の１段目冷却ステージ１９を囲うように設けられている上部スリーブ２０と、２段目冷却ステージ２１を囲繞する下部スリーブ２２とからなる。
上部スリーブ２０の下端は下部スリーブ２２の上端とつながっていると共に、冷凍機８の１段目冷却ステージ１９と接触し、さらに、熱シールド体６と熱的にリンクしている。下部スリーブ２２の下端側は超伝導磁石３の側部に連結されている。
このように、下部スリーブ２２の下端と超伝導磁石３とが確実に連結されると共に、上部スリーブ２０及び下部スリーブ２２の円筒状の側壁が、真空容器５の内部と装置１外部側とを遮断する役目をしているため、冷凍機スリーブ７の内部と真空容器５の内部とは非連通状態となっている。したがって、冷凍機メンテナンス時に冷凍機８を取り外したとしても、真空容器５内の真空状態は常に保たれる。

この極低温装置１においても、メンテナンスで冷凍機８を冷凍機スリーブ７から抜き取る場合、冷凍機８が排除していた容積分の大気や水蒸気が外部から侵入する場合があり、侵入した大気・水蒸気は、一瞬のうちに冷凍機スリーブ７内部で凝縮し固着してしまうことになる。
そこで、冷凍機スリーブ７には、第１実施形態と略同様に、当該冷凍機スリーブ７内に外部から大気が侵入することを防ぐべく、その下端側（超伝導磁石３側）から上端側（開放側）へ向かうパージガス流を作るガス流生成手段３１が設けられている。パージガス流は外部から供給されたヘリウムガスの流れとしている。

前記ガス流生成手段３１は、冷凍機スリーブ７の基部に連通し冷凍機スリーブ７内にヘリウムガスを供給するガス導入管３２と、冷凍機スリーブ７の開口部に設けられ且つ外部へのみ連通する逆止弁３３とを有している。
詳しくは、ガス導入管３２は熱伝導率の小さい材質で構成された中空管であって、先端が冷凍機スリーブ７の下端側壁へ連通している。ガス導入管３２の基端は熱シールド体６及び真空容器５を貫通して外部に配管されて、開閉弁３４などを介してヘリウムガスボンベ（図示せず）に接続されている。

一方、上蓋２５には、冷凍機スリーブ７内部と連通する排出管３５が設けられると共にこの排出管３５には逆止弁３３が装着されており、冷凍機スリーブ７の内圧が大気圧に対して所定圧力以上になった場合、内部のヘリウムガスを外部に放出し内圧を一定に保持するようになっている。
また、前記ガス導入管３２は、開閉バルブ３７を有するバイパス管３８を介して冷凍機スリーブ７の開口部に連通している。
すなわち、ガス導入管３２の外部に突出している部位からバイパス管３８が分岐しており、このバイパス管３８は、開閉バルブ３７を介して、上部スリーブ２０の側壁で真空容器５より外側に突出している部分に接続されている。

前記開閉バルブ３７を開状態とすることにより、ガス導入管３２の基端側は冷凍機スリーブ７の基端側とが連通し、閉状態とすることで、ガス導入管３２に導入されたヘリウムガスは冷凍機スリーブ７の下端側へのみ供給されるようになる。
前述のガス流生成手段３１やバイパス管３８の作動態様、作用については、第１実施形態と略同様であり説明を省略する。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
すなわち、本発明にかかるガス流生成手段３１は、冷凍機スリーブ７の基部と格納容器２とが遮蔽されている密閉型の極低温装置に対しても適用可能である。

また、弁体４０に設けられたメッキ層５０は、ハンダメッキ層５１又はインジウムメッキ層５２のどちらか一方であってもよい。
また、弁体４０の開状態は、バネ体４８等の付勢手段によらず、弁体４０の自重により下方に落ちる構造で実現されるものであってもよい。

本発明は、ＭＲＩ等の医療器具産業、ＮＭＲ等の精密分析器具産業等において利用可能である。

本発明の第１実施形態にかかる極低温装置の断面図である。 第１実施形態にかかる冷凍機スリーブの拡大断面図である。 熱音響振動の発生状況を示す図である。 第２実施形態にかかる冷凍機スリーブの拡大断面図である。 第２実施形態にかかる弁体の拡大断面図である。 第３実施形態にかかる弁体の拡大断面図である。 本発明の第４実施形態を示す図である。 従来例を示す図である。

符号の説明

１ 極低温装置
２ 格納容器
３ 被冷却体（超伝導磁石）
４ 冷媒（液体ヘリウム）
７ 冷凍機スリーブ
８ 冷凍機
２９ 連結管
３１ ガス流生成手段
３２ ガス導入管
３３ 逆止弁
３８ バイパス管
３９ ガス侵入防止手段
４０ 弁体
５４ 索体（ワイヤ）

Claims (7)

1. 被冷却体（３）が液体状の冷媒（４）中に浸漬された状態で格納されている格納容器（２）と、前記格納容器（２）内に連通する基部と外部に対して開閉自在となっている開口部とを有する筒状の冷凍機スリーブ（７）と、前記冷媒（４）から生じた冷媒ガスを再凝縮するべく冷凍機スリーブ（７）の開口部から挿入されている冷凍機（８）とを備えている極低温装置において、
   前記冷凍機スリーブ（７）の基部から開口部へ向かうパージガス流を作るガス流生成手段（３１）が設けられ、
   前記ガス流生成手段（３１）は、冷凍機スリーブ（７）の基部に連通して冷凍機スリーブ（７）内に外部からパージガスを供給するガス導入管（３２）と、冷凍機スリーブ（７）の開口部に設けられ且つ外部へのみ連通する逆止弁（３３）とを有し、
   前記ガス導入管（３２）は、開閉バルブ（３７）を有するバイパス管（３８）を介して冷凍機スリーブ（７）の開口部側に連通していることを特徴とする極低温装置。
2. 被冷却体（３）が格納されている真空容器（５）と、前記被冷却体（３）に連結された基部及び外部に対して開閉自在となっている開口部を有すると共に真空容器（５）の内部と前記外部とを遮断する側壁を備える筒状の冷凍機スリーブ（７）と、この冷凍機スリーブ（７）の開口部から挿入されて被冷却体（３）を冷却する冷凍機（８）とを備えている極低温装置において、
   前記冷凍機スリーブ（７）の基部から開口部へ向かうパージガス流を作るガス流生成手段（３１）が設けられ、
   前記ガス流生成手段（３１）は、冷凍機スリーブ（７）の基部に連通して冷凍機スリーブ（７）内に外部からパージガスを供給するガス導入管（３２）と、冷凍機スリーブ（７）の開口部に設けられ且つ外部へのみ連通する逆止弁（３３）とを有し、
   前記ガス導入管（３２）は、開閉バルブ（３７）を有するバイパス管（３８）を介して冷凍機スリーブ（７）の開口部側に連通していることを特徴とする極低温装置。
3. 前記冷凍機スリーブ（７）に、前記パージガス流が格納容器（２）内に侵入することを防ぐガス侵入防止手段（３９）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の極低温装置。
4. 前記ガス侵入防止手段（３９）は、冷凍機スリーブ（７）の基部と格納容器（２）との間に設けられた連結管（２９）を有し、この連結管（２９）の断面積は、冷凍機（８）が挿入されている冷凍機スリーブ（７）の断面積より小さいことを特徴とする請求項３に記載の極低温装置。
5. 前記ガス侵入防止手段（３９）は、冷凍機スリーブ（７）の基部を開閉可能で且つその開閉状態が外部より操作自在である弁体（４０）を有することを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の極低温装置。
6. 前記弁体（４０）は、付勢手段により冷凍機スリーブ（７）の基部を開状態とする方向へ付勢されていると共に、前記付勢力に抗し基部を閉状態とするように引っ張るための索体（５４）が連結されていて、この索体（５４）はガス流生成手段（３１）に備えられたガス導入管（３２）内を通って外部に導出しており外部からの引っ張り操作が可能となっていることを特徴とする請求項５に記載の極低温装置。
7. 前記冷凍機スリーブ（７）の基部側と接触する弁体（４０）の部位には、ハンダ層又はインジウム層が設けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の極低温装置。

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