特許 6937610 極低温装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6937610

(24)【登録日】2021年9月2日

(45)【発行日】2021年9月22日

(54)【発明の名称】極低温装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 39/04 20060101AFI20210909BHJP

   F25B 9/00 20060101ALI20210909BHJP

【ＦＩ】

   H01L39/04ZAA

   F25B9/00 311

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-100573(P2017-100573)

(22)【出願日】2017年5月22日

(65)【公開番号】特開2018-195771(P2018-195771A)

(43)【公開日】2018年12月6日

【審査請求日】2020年3月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】505427012

【氏名又は名称】株式会社 フジヒラ

(74)【代理人】

【識別番号】100166132

【弁理士】

【氏名又は名称】木船 英雄

(72)【発明者】

【氏名】藤平 潤一

(72)【発明者】

【氏名】藤平 秀幸

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 和訓

(72)【発明者】

【氏名】藤平 誠一

【審査官】 綿引 隆

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０００２８３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１８−１８２０１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３９／０４

Ｈ０１Ｆ ６／０４

Ｈ０１Ｆ ６／０６

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｆ２５Ｂ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被冷却体を寒剤と共に収容する内容器と、当該内容器を収容する外容器とを備えた極低温装置であって、
前記内容器から外容器を貫通するネックチューブを形成すると共に、前記ネックチューブ内に冷凍機を嵌合するように取り付け、
前記ネックチューブ内の冷凍機を囲繞するように仕切カバーを設け、
前記仕切カバーの内側に形成される第１空隙にガス供給口を接続すると共に、前記仕切カバーの外側に形成される第２空隙にガス排出口を形成し、
前記ガス排出口と前記ガス供給口とを循環ポンプを有するガス循環ラインで接続したことを特徴とする極低温装置。

【請求項2】

請求項１に記載の極低温装置において、
前記第２空隙に前記被冷却体に接続される導線および前記寒剤を供給する管を配置したことを特徴とする極低温装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体ヘリウムなどの寒剤を用いて超伝導機器を極低温状態に冷却するための極低温装置に係り、更に詳しくは寒剤の再凝縮手段を内蔵した極低温装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＭＲＩ用超伝導磁石などを液体ヘリウムなどの寒剤で冷却して使用される極低温装置では、気化した寒剤を再凝縮するための小型冷凍機を内蔵するのが一般的である。このような小型冷凍機を内蔵した極低温装置としては、例えば以下の特許文献１に示すように容器と連通する開口部（ネックチューブ）に冷凍機ヘッドを嵌合した構造のものや、以下の特許文献２に示すように独立したチャンバー内に小型冷凍機を収納した構造のものが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−１６２４８０号公報

【特許文献2】米国特許ＵＳ９２３４６９１Ｂ２公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、前記特許文献１に示すような構造では小型冷凍機を取りつけるためのネックチューブが大口径となる上に、超伝導センサーが増えるとそれに接続するための導線も多数となるため、そのネックチューブやその内部に配線される導線などを介した侵入熱が大きくなる傾向がある。一方、前記特許文献２の構造ではネックチューブは小径化できるものの冷凍機を設置するスペースが別個必要となるため、装置全体が大型化する傾向がある。

【0005】

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、装置全体の大型化を回避しつつ侵入熱を低く抑えることができる新規な極低温装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記課題を解決するために第１の発明は、被冷却体を寒剤と共に収容する内容器と、当該内容器を収容する外容器とを備えた極低温装置であって、前記内容器から外容器を貫通するネックチューブを形成すると共に、前記ネックチューブ内に冷凍機を嵌合するように取り付け、前記ネックチューブ内の冷凍機を囲繞するように仕切カバーを設け、前記仕切カバーの内側に形成される第１空隙にガス供給口を接続すると共に、前記仕切カバーの外側に形成される第２空隙にガス排出口を形成し、前記ガス排出口と前記ガス供給口とをガス循環ラインで接続したことを特徴とする極低温装置である。

【0007】

このような構成によれば、冷凍機周囲の空隙が仕切カバーによって内側の第１空隙と外側の第２空隙とに区画されるため、ガス循環ラインのガスがガス供給口から内側の第１空隙に供給されて直接冷凍機で冷却されて再凝縮（液化）した後、内容器に供給される。一方、内容器で発生した気化ガスは仕切カバーの外側の第２空隙を通過してガス排出口からガス循環ラインに排気するような流れが発生する。そして、この第２空隙を流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の１つであるネックチューブを効率良く冷却できるため、装置全体の大型化を回避しつつ内容器への侵入熱を低く抑えることができる。

【0008】

第２の発明は、被冷却体を寒剤と共に収容する内容器と、当該内容器を収容する外容器とを備えた極低温装置であって、前記内容器から外容器を貫通するネックチューブを形成すると共に、前記ネックチューブ内に冷凍機を嵌合するように取り付け、前記ネックチューブ内の冷凍機を囲繞するように仕切カバーを設けると共に、前記仕切カバーに連通穴を形成して前記仕切カバーの内側に形成される第１空隙と、前記仕切カバーの外側に形成される第２空隙とを連通し、前記仕切カバーの開口端部を、液通路を有する蓋部材で塞いだことを特徴とする極低温装置である。

【0009】

このような構成によれば、冷凍機周囲の空隙が仕切カバーによって内側の第１空隙と外側の第２空隙とに区画されるため、内側の第１空隙内のガスが直接冷凍機で冷却されて再凝縮（液化）した後、内容器に流れ落ちる。すると、仕切カバー内側の第１空隙内は負圧となるため、内容器で発生した気化ガスが仕切カバー外側の第２空隙からその仕切カバーに形成された連通穴を通過して第１空隙内に流れ込み、第２空隙から第１空隙に向かって一方向の連続したガスの流れが発生する。そして、この第２空隙を流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の１つであるネックチューブを効率良く冷却できるため、装置全体の大型化を回避しつつ内容器への侵入熱を低く抑えることができる。

【0010】

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記第２空隙に、前記被冷却体に接続される導線および前記寒剤を供給する配管を配置したことを特徴とする極低温装置である。このような構成によれば、第２空隙を流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の１つであるネックチューブだけでなく、被冷却体に接続される導線および前記寒剤を供給する管も効率良く冷却することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、第２空隙を流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の１つであるネックチューブや被冷却体に接続される導線および寒剤を供給する管などを効率良く冷却できるため、装置全体の大型化を回避しつつ内容器への侵入熱を大幅に低く抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係る極低温装置１００の実施の一形態を示す断面図である。

【図2】図１中Ａ部を示す部分拡大図である。

【図3】本発明に係る極低温装置１００の他の実施の形態を示す断面図である。

【図4】本発明に係る極低温装置１００の他の実施の形態を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る極低温装置１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの極低温装置１００は、被冷却体１０を寒剤１１と共に収容する円筒状の内容器１１０と、この内容器１１０を真空空間２０および幅射シールド１３０を介して収容する円筒状の外容器１２０との二重構造となっている。

【0014】

内容器１１０の天板の中央には、円形の開口部１１１が形成されており、この開口部１１１にはこれより垂直上部に延びるような筒状のネックチューブ１４０が設けられている。このネックチューブ１４０の上端は外容器１２０の天板を貫通しており、その上端開口部から小型冷凍機１５０の凝縮器１５１がその内側に嵌合するように設けられている。

【0015】

この小型冷凍機１５０は、例えばパルスチューブと呼ばれる低振動の冷凍機であり、前述したように内部に位置する凝縮器１５１と外部に露出した冷凍機ヘッド１５２とから構成されている。そして、この冷凍機ヘッド１５２には、複数のガス配管１５３を介して圧縮機１５４が接続されており、この圧縮機１５４によって冷凍機用の冷媒を圧縮循環させて冷凍サイクルを構成している。なお、現在市販されている冷凍機はヘリウム温度で１Ｗ程度の凝縮能力を有している。

【0016】

内容器１１０内に収容される被冷却体１０は、例えば極低温状態で動作するＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）などの超伝導磁気センサーであり、生体から発生する極めて微弱な地場を計測することができる。そして、この被冷却体１０を冷却する寒剤１１は、例えば大気圧沸点が４．２Ｋの液体ヘリウムなどの極低温液体が用いられる。

【0017】

図２は図１中Ａ部を示す拡大図であり、内容器１１０から外容器１２０に延びるネックチューブ１４０付近の詳細な構造を示したものである。図示するようにこのネックチューブ１４０は、上下両端が開口した筒状となっており、内容器１１０の天板の開口部１１１と外容器１２０の天板間を接続するように設けられている。また、このネックチューブ１４０の上端側、すなわち外容器１２０の天板上にはこのネックチューブ１４０の上端開口部を囲むように断面コ字形をしたリング状のアダプター１６０が設けられており、このアダプター１６０上にドーナツ円板状の冷凍機フランジ１６１が取り付けられている。

【0018】

そして、この冷凍機フランジ１６１の開口部から小型冷凍機１５０の凝縮器１５１側を挿入し、その冷凍機ヘッド１５２側を冷凍機フランジ１６１上に固定することで図示するようにその凝縮器１５１がネックチューブ１４０内に嵌合するように取り付けられている。

【0019】

また、この冷凍機フランジ１６１の下面側には、これより垂直下方に延びるように筒状の仕切カバー１７０が設けられている。この仕切カバー１７０は、その下端が開口していると共に、その内径が凝縮器１５１の外径よりも大きくなっており、凝縮器１５１表面との間に円環状をした所定の空隙（第１空隙Ｓ１）を隔てて囲繞するように設けられている。また、この仕切カバー１７０の外径はネックチューブ１４０の内径よりも小さくなっており、ネックチューブ１４０との間に円環状の空隙（第２空隙Ｓ２）が形成されている。

【0020】

この冷凍機フランジ１６１には、ガス供給口１６２が形成されており、仕切カバー１７０内側の第１空隙Ｓ１と連通している。一方、この冷凍機フランジ１６１が取りつけられるアダプター１６０には、ガス排出口１６３が形成されており、仕切カバー１７０外側の第２空隙Ｓ２と連通している。そして、このガス排出口１６３およびガス供給口１６２には、図１に示すようにガス循環ラインＬが接続されている。

【0021】

このガス循環ラインＬには、循環ポンプ３０と、弁３４を有するガスボンベ３１と、弁３３を有する放出管３２とが備えられており、この循環ポンプ３０によってガス排出口１６３から第２空隙Ｓ２内の気化ガスを抜き出し、これをガス供給口１６２から第１空隙Ｓ１内へ供給するように循環させている。そして、このガス循環の過程において適宜そのガスの一部を放出管３２から放出したり、ガスボンベ３１からガスを補充できるようになっている。

【0022】

また、図２に示すように冷凍機フランジ１６１が取りつけられるアダプター１６０には、ガス排出口１６３の他に、液体供給口１６４が設けられている。この液体供給口１６４には図示しない液体供給管が連結されており、液体ヘリウムなどの寒剤１１を内容器１１０内へ直接供給できるようになっている。そして、この液体供給口１６４の内側には、トランスファーチューブ挿入管１６５が接続されており、このトランスファーチューブ挿入管１６５は、その第２空隙Ｓ２内を下方に通過するように配置されている。

【0023】

また、この第２空隙Ｓ２内には、内容器１１０内に配置された超伝導磁気センサーなどの被冷却体１０などから延びる複数の導線Ｃがこれを上方に通過するように配線されており、アダプター１６０と外容器１２０間に形成された気密構造の引出部１８０から外部に延びて図示しない外部機器に接続されている。

【0024】

なお、このアダプター１６０や冷凍機フランジ１６１、小型冷凍機１５０は、外容器１２０に対してそれぞれ着脱可能となっており、組み立て時にはＯリングやパッキンなどによって外気に対して機密にシールされている。また、この内容器１１０や外容器１２０、ネックチューブ１４０、仕切カバー１７０などは、ガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などの低熱伝導材料で形成されており、これらを伝って侵入する熱量が低く抑えられている。

【0025】

次に、このような構成をした本発明に係る極低温装置１００の作用を説明する。図１に示すように内容器１１０内に配置された超伝導磁気センサーなどの被冷却体１０は、液体ヘリウムなどの寒剤１１で極低温状態に冷却されることによってその機能を十分に発揮することになるが、その状態における内容器１１０内では様々な経路からの侵入熱などによってその液体の寒剤１１が常に蒸発して気化ガスとなって内容器１１０内に充満している。

【0026】

内容器１１０内の気化ガスは、図２に示すように内容器１１０の天板に形成された開口部１１１から外部に出ようとするが、このとき仕切カバー１７０で区画された第１空隙Ｓ１は順次供給される循環ガスによって高圧となっているため、その外側の低圧となっている第２空隙Ｓ２側に流れ、これを上昇するように通過してガス排出口１６３からガス循環ラインＬに排出される。

【0027】

そして、このように内容器１１０内で発生した低温の気化ガスが第２空隙Ｓ２側を連続して流れることによって、この第２空隙Ｓ２内に配置されている導線Ｃやトランスファーチューブ挿入管１６５およびネックチューブ１４０がその顕熱によって効果的に冷却されるため、これらを伝導して内容器１１０側へ侵入する熱量を低く抑えることができる。

【0028】

一方、ガス排出口１６３からガス循環ラインＬに排出されたガスは、ポンプ３０によって再びガス供給口１６２から仕切カバー１７０内側の第１空隙Ｓ１内に供給されて小型冷凍機１５０の凝縮器１５１で強制的に冷却されて再凝縮（液化）し、液体となって内容器１１０内に落下（滴下）して寒剤１１として再利用されるため、内容器１１０内の寒剤１１が不足することはない。

【0029】

このように本発明に係る極低温装置１００は、小型冷凍機１５０の凝縮器１５１周囲の空隙を仕切カバー１７０によって第１空隙Ｓ１と第２空隙Ｓ２とに区画し、内容器１１０で発生した気化ガスを外側の第２空隙Ｓ２を通過させて排気するようにしたため、これを流れる気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の１つであるネックチューブ１４０や導線Ｃなどを効率良く冷却することができる。これによって、装置全体の大型化を回避しつつ内容器１１０への侵入熱を大幅に低く抑えることができる。

【0030】

次に、図３は本発明に係る極低温装置１００の他の実施の形態を示したものである。図示するように本実施の形態は、仕切カバー１７０の上端側に１つ以上の連通穴１７３を形成して第１空隙Ｓ１と第２空隙Ｓ２とを連通すると共に、その仕切カバー１７０の開口端部を、液通路１７２を有する漏斗状の蓋部材１７１で塞ぎ、さらにガス排出口１６３とガス供給口１６２を閉じたものである。

【0031】

このような構成にすれば、内容器１１０で発生した気化ガスは、蓋部材１７１があるが故に仕切カバー１７０の内側すなわち第１空隙Ｓ１に流れ込むことはできず、そのすべてが外側の第２空隙Ｓ２側に流れ、これを上昇してその上端側の連通穴１７３を通過して第１空隙Ｓ１内に流れ込む。これによって、前記実施の形態と同様にこの第２空隙Ｓ２内に配置されている導線Ｃやトランスファーチューブ挿入管１６５およびネックチューブ１４０がその気化ガスの顕熱によって効果的に冷却されるため、これらを伝導して内容器１１０側へ侵入する熱量を低く抑えることができる。

【0032】

一方、第１空隙Ｓ１内に流れ込んだ気化ガスは、凝縮器１５１で強制的に冷却されて再凝縮（液化）し、液体となって蓋部材１７１上に滴下する。また、この気化ガスの再凝縮工程により第１空隙Ｓ１内は第２空隙Ｓ２よりも負圧状態となるため、第２空隙Ｓ２の気化ガスはスムーズに連続して第１空隙Ｓ１内に流れ込むことになる。そして、蓋部材１７１上に滴下した液体は、その中央部の液通路１７２から内容器１１０内に落下して寒剤１１として再利用される。

【0033】

このように仕切カバー１７０の上端側に１つ以上の連通穴１７３を形成すると共に、その仕切カバー１７０の開口端部を蓋部材１７１で塞ぐように構成しても前記実施の形態のと同様に気化ガスの顕熱によって侵入熱の経路の１つであるネックチューブ１４０や導線Ｃなどを効率良く冷却することができる。これによって、装置全体の大型化を回避しつつ内容器１１０への侵入熱を大幅に低く抑えることができるだけでなく、ガス循環ラインＬを廃止することも可能となって装置全体のシンプル化も達成できる。

【0034】

なお、蓋部材１７１に形成された液通路１７２は、気化ガスの侵入を防ぐべくその内部が常に液体で満たされている（塞がれている）状態を維持するためになるべく小径（細管）とすることが好ましいが、あまりに小さ過ぎると不純物の混入などによってその内部で液体が凍結し、閉塞させることがある。そのため、図示するようにこの液通路１７２の外側に電気ヒーター１７４を取り付け、その液通路１７２を適宜加熱することで凍結による閉塞を防ぐようにしても良い。

【0035】

また、アダプター１６０に形成される液体供給口１６４は、運転初期における寒剤１１の供給や小型冷凍機１５０の故障時の液体補給時のみに使用され、通常は使用しないが、この液体供給口１６４には内容器１１０側に延びるトランスファーチューブ挿入管１６５が接続されているため、この液体供給口１６４を介した侵入熱は小さくない。そこで、図４に示すようにこの液体供給口１６４の構造を工夫してこの部分からの侵入熱をより小さく抑えることが望ましい。

【0036】

すなわち、このトランスファーチューブ挿入管１６５は、外管２０１と内管２０２との二重管構造となっており、その両端は閉じてその間に真空封止２０３によって真空に保たれている。このトランスファーチューブ挿入管１６５よりＬ字型に曲げられた室温部分２０４は、アダプター１６０に設けられたポート２０５に挿入され、Ｏリング２０６、抑え２０７で気密に保たれ、必要な場合には外部のトランスファーチューブ２０８は、接続アダプター２０９を介してトランスファーチューブ挿入管１６５の内管２０２に挿入される。この接続アダプター２０９には両端にＯリング２１０、２１１及び抑え２１２、２１３が設けられ、気密が保たれる。

【符号の説明】

【0037】

１０…被冷却体
１１…寒剤
１００…極低温装置
１１０…内容器
１２０…外容器
１４０…ネックチューブ
１５０…小型冷凍機
１６５…トランスファーチューブ挿入管
１７０…仕切カバー
１７１…蓋部材
１７２…液通路
１７３…連通穴
１７４…電気ヒーター
Ｃ…導線
Ｓ１…第１空隙
Ｓ２…第２空隙

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】