(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体磁気計測用の超伝導量子干渉素子を内装し、該超伝導量子干渉素子を冷却するための液体冷媒を収容する低温恒温槽と、前記低温恒温槽に液体冷媒を補給する手段と、前記低温恒温槽内の液体冷媒が蒸発して生じる冷媒ガスを排気する排気管とを備えた生体磁気計測装置の冷却装置において、
前記低温恒温槽内の液体冷媒の液面レベルを検出する液面計と、
前記排気管を通して放出される冷媒ガスの流量を検出する流量計と、
前記流量計の検出値から前記液体冷媒のボイルオフの有無を判定し、また、前記流量計の検出値と前記液面計の検出値から前記排気管の凍結閉塞の有無を判定する手段とを備えて成ることを特徴とする生体磁気計測装置の冷却装置。
【請求項２】
生体磁気計測用の超伝導量子干渉素子を内装し、該超伝導量子干渉素子を冷却するための液体冷媒を収容する低温恒温槽と、前記低温恒温槽に液体冷媒を補給する手段と、前記低温恒温槽内の液体冷媒が蒸発して生じる冷媒ガスを排気する排気管とを備えた生体磁気計測装置の冷却装置において、
前記低温恒温槽内の液体冷媒の液面レベルを検出する液面計と、
前記排気管を通して放出される冷媒ガスの流量を検出する流量計と、
前記流量計の検出値と前記液面計の検出値から前記排気管の凍結閉塞の有無を判定する手段とを備えて成ることを特徴とする生体磁気計測装置の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体窒素や液体ヘリウム等の液体冷媒を用いる低温恒温槽を備えた生体磁気計測装置の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微弱磁界を測定可能にした超伝導量子干渉計（以下、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓを略してＳＱＵＩＤと称する）を用いて、脳や心臓の磁気的電流により生じる微弱磁界を計測して、医療診断に役立てる生体磁気計測装置が開発されている。
【０００３】
上記ＳＱＵＩＤは、液体窒素や液体ヘリウム等の液体冷媒を導入した低温恒温槽に内装されて冷却されている。
【０００４】
低温恒温槽には液体冷媒の蒸発ガスを排気するための排気管が設けられ、また、液体冷媒の蒸発を補うための補給管が装備されている。
【０００５】
なお、ＳＱＵＩＤ測定装置の冷却装置としては、例えば特開平４−３２１２８３号公報に開示されるように、ＳＱＵＩＤを内装する低温恒温槽に冷却材容器から冷却材供給導管を介して冷却材を導入し、低温恒温槽内のＳＱＵＩＤ保持構造に冷却材を導通して間接的にＳＱＵＩＤを冷却し、冷却後に蒸発した冷却ガスを調節器により駆動される操作弁及び排気管を介して排気する技術が開示されている。この従来例の冷却材容器には、容器内の蒸発ガス圧力が超過圧力を少なくとも近似的に一定の圧力に維持する圧力保持弁が組み込まれている。
【０００６】
その他、生体磁気計測装置とは外れるが、例えば、特開昭６１−７３３９０号公報に開示されるように、小型冷凍機付超電導磁石装置においては、超電導コイルを収容する液体ヘリウム容器内のヘリウム量と容器内圧力を一定にするために圧力計と液面計とを備えた技術等が存在する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
生体磁気計測装置は、デュワと通称される低温恒温槽内にＳＱＵＩＤ及び液体冷媒を収容しており、低温恒温槽内の液体冷媒の蒸発ガスは排気管より常時大気に排出されるため、特に低温恒温槽内が異常圧力になることがないと考えられていた。
【０００８】
ところが、排気管が蒸発ガスを放出するために放出口を通じて外部と繋がっているので、該放出口から外部の空気が該排気管の中に入り込み低温恒温槽から出てくる低温の冷媒ガスによって冷やされて、該排気管の内壁に空気中の水分が結露、凝結し（いわゆる凍結現象）、長い期間が経過するうちには、管を塞ぐ場合がある。かかる事態が生じると、低温恒温槽内が異常圧力をきたし、最悪の場合、低温恒温槽の破裂をきたすおそれがある。このような事態は、人体を扱う生体磁気計測装置においては、人体の安全を守る見地から絶対発生しないような対策を考慮する必要がある。
【０００９】
また、上記した如く排気管が塞がる問題の他に、低温恒温槽の真空断熱層の真空が破れる等によって冷媒の蒸発量が増えた場合（ボイルオフとなった場合）、これを早期に発見して対策することは重要である。すなわち、磁気計測に用いている場合、ボイルオフによる振動によって測定が不可能になる、或は、測定データに対する信頼性が下がる。
【００１０】
本発明は以上の点に鑑みてなされ、その目的は、第１には、生体磁気計測装置の冷却装置において、低温恒温槽内の異常圧力の原因となる排気管外部から侵入した空気の結露凝結（凍結）による排気管閉塞を検知して、未然の事故防止を確実に図ることにある。
【００１１】
第２には、上記の排気管閉塞の他にいわゆるボイルオフ現象を検知して安全をより一層高める生体磁気計測装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１）外部から侵入した空気が排気管内壁に結露凝結（凍結）して該排気管を塞ぐという課題に対しては、基本的には、次のような解決手段を提案する。
【００１３】
すなわち、ＳＱＵＩＤ及びＳＱＵＩＤを冷却する液体冷媒を収容する低温恒温槽と、前記低温恒温槽に液体冷媒を補給する手段と、前記低温恒温槽内の液体冷媒が蒸発して生じる冷媒ガスを排気する排気管とを備えた生体磁気計測装置の冷却装置において、
前記低温恒温槽内の冷媒ガス層の圧力を検出して前記排気管の凍結閉塞を検知する手段を備えたことを特徴とする（第１の発明）。
また、上記第１の発明に代わって、生体磁気計測装置の冷却装置において、
前記低温恒温槽内の液体冷媒の液面レベルを検出する液面計と、
前記排気管を通して放出される冷媒ガスの流量を検出する流量計と、
前記流量計の検出値と前記液面計の検出値から前記排気管の凍結閉塞の有無を判定する手段とを備えたものを提案する（これを第２の発明とする）。
【００１４】
（２）次に、上記（１）の構成に代わるものとして、前記低温恒温槽内の冷媒ガス層の圧力が異常圧力になるとガス抜きのために破裂する破裂板又は異常圧力に応動する一方弁を備えたものを提案する（第３の発明）。
【００１５】
（３）排気管閉塞の他にいわゆるボイルオフ現象を検知して安全をより一層高めるといった課題に応える手段としては、前記したＳＱＵＩＤ、低温恒温槽、液体冷媒補給手段、排気管とを備えた生体磁気計測装置の冷却装置において、
前記低温恒温槽内の液体冷媒の液面レベルを検出する液面計と、
前記排気管を通して放出される冷媒ガスの流量を検出する流量計と、
前記流量計の検出値から前記液体冷媒のボイルオフの有無を判定し、また、前記流量計の検出値と前記液面計の検出値から前記排気管の凍結閉塞の有無を判定する手段とを備えて成ることを特徴とする（第４の発明）。
【００１６】
上記した、発明の作用については、次の発明の実施の形態で説明する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１〜４を用いて説明する。
【００１８】
図１は、請求項１に係る発明を具現化した実施例で、特に生体磁気計測装置におけるデュワ（低温恒温槽）の概略縦断面図である。
【００１９】
低温恒温槽１は、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ  ：  繊維強化プラスチック）等の非磁性材料でできた側面と下面とが内槽１ａ，外槽１ｂの２重壁構造よりなり、１ａ，１ｂの２重壁の間の空間にはアルミ蒸着フィルム２０が何層にも入れられ真空状態に保たれている（図示省略）。低温恒温槽１を非磁性材料にするのは、磁気計測に使用するためである。特に、微弱磁気の計測のために槽の材料自体の渦電流の影響を排除したい場合、銅やアルミニウム等の非鉄金属のものを使うべきでない。内槽１ａ、外槽１ｂ間を真空状態にするのは、熱伝導や気体の対流による熱の侵入を防ぐためであり、更に、アルミ蒸着フィルム２０を入れるのは、熱輻射による熱の侵入を防ぐためである。
【００２０】
内槽１ａには液体冷媒（例えば液体ヘリウム）２１が収容され、この液体冷媒内に多数のＳＱＵＩＤ（磁気検出センサ）２２が配置されている。
【００２１】
内槽１ａの上部には、上面からの熱伝導による熱侵入を防ぐバッフル２が設けられている。バッフル２は、発泡スチレン、発泡ウレタン等の断熱材でできている。バッフル２の大きさ（径）は、低温恒温槽１の内槽１ａの内径よりも僅かに小さい程度にして、内槽１ａ，バッフル２の内外周間に環状間隙２３を確保している。
【００２２】
ＳＱＵＩＤ２２からの信号線（図示省略）をこの間隙２３に通す必要があるので、間隙２３は、信号線に用いられるフラットケーブルの厚さや槽にバッフル２を組み込む際の作業性を考慮して、内槽１ａの内径とバッフル２の外径との差は直径差にして１０ｍｍ（半径差にして５ｍｍ）程度が望ましい。
【００２３】
この程度の間隙２３によれば、間隙２３のうち槽上部付近の比較的温かい冷媒ガス（例えば２００Ｋ程度）が間隙２３を対流して下部（例えば１０Ｋ程度）に流れ込むのを防ぎ、また、低温恒温槽１の上面に配置される天板２４と槽１の底面との温度差による熱輻射がバッフル２の存在によって防がれると共に、内槽１ａ内の冷媒ガス層２５の下方から上方へと冷媒ガスが流れていく際に低温恒温槽１の内槽１ａの壁面に冷媒ガスが極力接することで、冷媒ガスと内槽１ａとの熱交換を促し、したがって外部から内槽１ａの壁を介して、侵入する熱を受け取ってから冷媒ガスによって放出（排気）する構成としている。したがって、外部から侵入する熱が液体冷媒２１に熱的影響を及ぼすの抑えることができる。
【００２４】
バッフル２及び天板２４を貫通するようにして、液面計８のセンサ部２６を通すガイド管３及び液体ヘリウムや液体窒素等の液体冷媒を供給するためのトランスファーチューブ２７を通すガイド管４がそれぞれ設けてある。
【００２５】
これらのガイド管３，４を設ける理由は、液面計のセンサ部２６やトランスファーチューブ２７を外部からバッフル２を介して低温恒温槽１内に導入する際にバッフル２等に引っ掛かるのを防ぐためである。
【００２６】
これらの液面計センサ部２６やトランスファーチューブ２７は、各ガイド管３，４にウィルソンシール２８，２９を介してガイド管３，４をシールするようにして固定されている。図２にウィルソンシールの分解断面図を示し、ガイド管３，４側に設けた雄ねじ部３０と、その中に装着されるＯリング３１と、テーパリング３２と、テーパリング３２を締め付ける雌ねじ付きスリーブ３３よりなる。
【００２７】
ガイド管３，４の内径は、液面計センサ部２６やトランスファーチューブ２７の外径よりも僅かに大きい程度にして、液面計センサ部やトランスファーチューブとの間に形成される環状の空間を狭くしている。冷媒ガスの対流、及び、熱輻射による上部からの熱侵入を防ぐためである。また、ガイド管３，４自体には荷重がかからないので、管を極力肉薄にすることで断面積を小さくし、管自体の熱伝導による熱侵入を防いでいる。例えば、液面計センサ部２６の外径が８ｍｍ程度なので、該液面計ガイド管３は内径９ｍｍ程度が好ましい。材質は、肉薄の製作が容易なステンレス（厚さが０．１〜０．５ｍｍ）、低温での熱伝導率の小さいＦＲＰ（製作上の理由から厚さ１〜２ｍｍ）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート，厚さは１ｍｍ以下）等が挙げられる。トランスファーチューブ２７を通すガイド管４の径や材質等の設計の考え方も液面計ガイド管３の場合と同じである。
【００２８】
なお、ガイド管３，４には上端，下端の温度差によっていわゆる気柱振動現象が発生しやすいため、これを防止する意味でガイド管３，４の任意の側面（管壁）に孔（図示省略）があけてある。孔径はφ１〜５ｍｍでよい。この孔は少なくとも１ヶ所確保すれば気柱振動を防止できるが、１ヶ所だけだとこの孔が閉塞した時に予備がきかないので、複数個の孔を設けておくことが好ましい。
【００２９】
天板２４の中央には、低温恒温槽内の蒸発した冷媒ガスを低温恒温槽の外部へ放出するための排気管５が設けてある。
【００３０】
排気管５は、バッフル２周囲の環状隙間２３からバッフル２の中央に向けた複数のガス通路２ａ及びバッフル２中心に設けたガス通路２ｂを介して導かれる冷媒ガス（低温恒温槽１内で蒸発した冷媒ガス）を外部に放出するためのものである。矢印は冷媒ガスの流れを示す。このような一連の冷媒ガスの排気通路構造としたのは、低温恒温槽１内の液体冷媒上部の冷媒ガス層２５から冷媒ガスをガイド管を通じて低温のまま外部へ放出するよりも、内槽１ａの壁部を熱伝導によって侵入する熱を通路２３を介して受け取ってから放出する方が、侵入熱量を減らし液体冷媒２１の蒸発量を減らすのに有効だからである。
【００３１】
また、排気管５を天板２４の中央に配置したのは、偏心して配置すると、内槽１ａの壁に近い方の冷媒ガスがより多く（早く）流れ、壁に遠い方の冷媒ガスが少なく流れるので、壁と冷媒ガスとの間の熱交換が十分に図れないからである。また、図１に示すように、冷媒ガスの流路２ａが１番上のバッフルではなく、上から２番目のバッフルを通過しているのは、冷媒ガスがバッフルと天板との間を通過すると、天板が冷やされ、天板上面が結露するとともに、天板と槽との間のＯリング（図示省略）が冷やされ、Ｏリングのシール性が確保されず、空気が層内に侵入して槽内上部に水蒸気が凍結するからである。
【００３２】
７は圧力計であり、低温恒温槽１の内槽１ａ内にバッフル２を貫通して挿入された圧力導管６を介して冷媒ガス槽２５の圧力が導かれるようにしてある。
【００３３】
この圧力導管６は直接バッフル２に気密性を維持して導入されているが、上述の液面計ガイド管３、冷媒供給ガイド管４、及び、排気管５と別個独立のガイド管を設けて、これに通してもよい（ガイド管とした場合の設計仕様は液面計ガイド管３や冷媒供給ガイド管４と同様である）。
【００３４】
圧力導管６は、製作上の理由から、ＰＥＴであれば、内径２〜３ｍｍ、肉厚０．１〜０．５ｍｍ程度、ＦＲＰであれば、内径３〜１０ｍｍ、肉厚１〜３ｍｍ程度である。
【００３５】
また、ＦＲＰ製の低温恒温槽は、通常０．５気圧（ゲージ）（以下圧力はゲージ圧表示とする）程度の設計耐圧であり、液体冷媒である液体ヘリウムの供給時には、冷媒供給源となるヘリウムタンク（図示省略）側での液体ヘリウムを押し出す力は０．２〜０．３気圧程度の圧力が加わっていると考えられるから、槽側での内圧の危険の有無の判断の値としては、０．３〜０．４気圧が好ましい。この値を越えた時は、圧力計７の検出に基づいて排気系流路が閉塞しているとして回避措置を採ることが望ましい。また、圧力導管６の内部は外気と遮断されていて、冷媒ガスは流れないので、圧力計７を低温恒温槽本体に取り付けておく必要はなく、磁気シールドルーム（図示省略）の外に引き出してもよい。この場合、装置オペレータが通常の作業の際に見易い操作卓付近に設置すると便利である。
【００３６】
圧力計７の測定対象の圧力は、正常な場合は、高々０．５気圧程度の静圧であるから、圧力計７の測定レンジは１．０気圧以下程度のものが望ましい。電子式の圧力計で外部出力ポートを備えたものであれば、圧力値が所定の値（上の説明では、０．３〜０．４気圧）を越えた時、ＣＰＵ（コントローラ）１０が警報器１１に指令を出して警報を発するようにシステムを構成する。なお、ＣＰＵ１０は、その他に、液面計８の信号を入力して、低温恒温槽１内の液体冷媒２１の液面レベルを監視し、液面レベルが所定値以下になると図示されない冷却材タンクのポンプを駆動して補給管２７を介して液体冷媒が低温恒温槽１内に補給されるようにしてある。
【００３７】
本実施例によれば、排気管５の放出口から外部の空気が該排気管５の中に入り込み低温恒温槽から出てくる低温の冷媒ガスによって冷やされて、該排気管の内壁に結露、凝結による凍結が発生し、長い期間が経過するうちには、管５を塞ぐ場合が生じても、その閉塞を圧力計７を介してとらえることができ、これに基づき警報を発することで、低温恒温槽が破損するのを事前に防止でき、この種の生体磁気計測装置の安全性を高めることができる。この警報に基づき、例えば、排気管５の凍結箇所の解凍が行なわれる。
【００３８】
図３は本発明の第２実施例に係り、請求項２に係る発明を具現化したものである。なお、図中、図１と同一符号は同一の要素を示す。
【００３９】
本例と図１の実施例との異なる点は、圧力導管６の端に圧力計７の代わりに破裂板４０を設けた点にある。排気管５の閉塞によって槽１ａの内圧が上昇した場合、破裂板４０が破裂して圧力導管６を通じて内圧を外部へ逃がす（ガス抜きする）ことが可能となる。破裂板４０はステンレス等により成形されたダイアフラム型の薄膜であり、厚さや大きさは、上述の説明のように、０．３〜０．４気圧で破裂する厚さで、径が圧力導管のオリフィス径よりも大きいものを選択し、このダイアフラム４０が所定圧力以上になると対向する刺し具４１側に反転して破裂する構造となっている。
【００４０】
この場合、圧力導管６は、内圧を逃がすときにだけ冷媒ガスが流れるので、内径が太いものである必要はない（上述のように、内径が２〜１０ｍｍ程度で足りる）。
【００４１】
なお、この破裂板４０に代えて、一方弁を用いて所定圧力以上になるとガス抜きすることも可能である（図示省略）。一方弁も動作圧力やオリフィス径等種々あるが、０．３〜０．４気圧で動作し、オリフィス径が圧力管６の内径よりも大きいもの（例えば、１０ｍｍ程度）を選択すれば足りる。一方弁を用いる利点は、破裂板だと破裂板が破裂してしまうと、再度新しい破裂板の取付が完了するまで、低温恒温装置の安全な使用が確保されないのに対して、一方弁だと内圧を外部へ逃がした後は、自動的に復旧する利点がある。但し、この場合、通過する冷媒ガスの温度が低いので、一方弁の中のつる巻きばねが凍ったり、ボールが張り付いたりすることも考えられ、それらを回避するためには（復旧を迅速に行うには）、弁をデュワから離して配置し冷媒ガスがより温かくなった状態で弁を通過するようにする、或は、一方弁が凍り付かないようにヒータを備える等の対策を行うことが考えられる（図示省略）。
【００４２】
図４に本発明の他の実施形態を示す。本実施例は、請求項３に係る発明を具現化したものである。低温恒温槽１の基本構造は図１と同じであるため、一部、図示を省略してある。
【００４３】
本例は、低温恒温槽内の液体冷媒の液面レベルを検出する液面計８の他に、排気管５の一部に排気管５を通して放出される冷媒ガスの流量を検出する流量計９を設けて、冷媒ガスの流量を常時測定している。流量計９には、上限値及び下限値のチェック機能と外部出力ポートがあることが望ましい。
【００４４】
チェック機能がない場合、ＣＰＵ１０が流量計９の測定した流量値を常時監視することになるからである。例えば、低温恒温装置の液体ヘリウムの蒸発量が２リットル／日の場合、流量は２×７００／（２４×６０）＝０．９７リットル／分（ヘリウムガスが０℃の場合）であるから、フルスケール２リットル／分の流量計を選択し、動作保証範囲がフルスケールに対して１０〜９０％である場合、上限値チェックをフルスケールの８５％である１．７リットル／分に、下限値チェックを１５％の０．３リットル／分に設定して使用することが考えられる。あるいは、５リットル／分の流量計で、上限値チェックを４．２５リットル／分に、下限値チェックを０．７５リットル／分に設定して使用することが考えられる。
【００４５】
本実施例の動作を図５に示すフローチャートにより説明する。
【００４６】
流量計９からの流量検出値が下限値を下回った場合には、液体冷媒が全て蒸発してしまい低温恒温槽内に液体冷媒が無くなった、或は、排気管５を含む冷媒ガスの流路に閉塞が生じて流量が低下したかのいずれかが考えられる。この場合には、ＣＰＵ１０は、流量検出値のほかに、液面計８からの検出信号により、低温恒温槽１内の液位を確認できない，すなわち液体冷媒が無くなったものと認識すると、装置の操作には危険は無いものの、そのままの状態では測定ができないので、警報ではなく、注意を発して装置オペレータに液体冷媒の補給を要請する。
【００４７】
逆に、液位が確認できた場合は、液体冷媒が存在するのにも関らず、流量が低下したのであるから、冷媒ガスの流路に閉塞が生じていると考えられ、このとき、低温恒温槽内の圧力が高くなっているのであるから、警報を発し、操作者に危険の可能性があることを知らせ、測定の中止とかかる事態の解消への対応を要請する。
【００４８】
流量計９からの流量検出値が予め定められた上限値を越えた場合、液体冷媒の蒸発量が増えたと認識できるので、例えば、低温恒温槽の有する真空断熱層の断熱性能が低下した、或は、低温恒温槽内の内容物が何等かの事情で発熱した、等が考えられ、この状態で操作を継続すれば、安定した測定データを得ることができない事態が想定できるので、操作者、監視者へ注意を喚起するよう警報を発するようにした。
【００４９】
【発明の効果】
第１，第２，第３の発明によれば、生体磁気計測装置の冷却装置において、外部から侵入した空気が排気管内壁に結露凝結しその凍結によって該排気管を塞いでもそれを検知することで装置の安全は確保できる。
【００５０】
第４の発明によれば、排気管の凍結閉塞を検知するほかに、いわゆるボイルオフ現象を早期に発見して安全性をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る低温恒温槽及びその周辺機器の概略構成図。
【図２】第１実施例に用いるウィルソンシールの分解断面図。
【図３】本発明の第２実施例に係る低温恒温槽及びその周辺機器の概略構成図。
【図４】本発明の第３実施例に係る低温恒温槽及びその周辺機器の概略構成図。
【図５】第３実施例の動作を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
１…低温恒温槽、２…バッフル、３…液面計ガイド管、４…冷媒供給ガイド管、５…排気管、６…圧力導管、７…圧力計、８…液面計、９…流量計、１０…ＣＰＵ（排気管閉塞，ボイルオフ判定手段）、４０…破裂板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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