(57)【要約】【課題】温度が安定した冷媒を被冷却体に供給する極低温冷凍システムを提供する。【解決手段】本発明の極低温冷凍システムは、クライオスタット容器６内に、冷凍機１５、第１熱交換器９、第２熱交換器１０を有し、冷媒の循環により低温プローブ２を冷却する極低温冷凍システムである。本極低温冷凍システムは、熱交換器９、１０と被冷却体低温プローブ２との間に配置される、冷媒を循環させる低温断熱された複数の移送管８の途中に均熱器１８ａ、１８ｂを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオスタット容器の内部に、冷凍機及び前記冷凍機と熱的に接続された熱交換器を備え、前記熱交換器にて冷媒を冷却し、前記冷媒の循環により被冷却体を冷却する極低温冷凍システムにおいて、
前記熱交換器と前記被冷却体との間に配置される、冷媒を循環させる低温断熱された複数の移送管の途中の少なくとも一ヶ所に均熱器を備えたことを特徴とする極低温冷凍システム。
【請求項２】
前記均熱器は、前記冷媒の流路となる管を１巻以上螺旋状に巻いた構造で、かつ、隣接した前記螺旋状の管どうしを熱的に接触させた構造である請求項１に記載の極低温冷凍システム。
【請求項３】
前記均熱器は、前記冷媒の温度変化周期の１／２周期分が、前記螺旋状の管の１巻分に相当するよう構成されている請求項２に記載の極低温冷凍システム。
【請求項４】
前記均熱器は、熱的に接続させた金属製の伝熱体で覆れている請求項２または３に記載の極低温冷凍システム。
【請求項５】
前記均熱器は、熱的に接続させた金属製の伝熱体を螺旋内にて保持している請求項２または３に記載の極低温冷凍システム。
【請求項６】
前記金属製の伝熱体は、鉛製である請求項４または５に記載の極低温冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温冷凍機により冷却された冷媒を循環させることにより、被冷却体を冷却する極低温冷凍システムに適用する。
【背景技術】
【０００２】
極低温冷凍システムは、核磁気共鳴装置の低温プローブを被冷却体の対象とする場合がある。ピストンやディスプレーサの往復運動等により振動源となる冷凍機を低温プローブから離れたところに配置でき、振動を伝えにくい構造とした極低温冷凍システムは、極低温及び低振動を必要とする低温プローブにとっては適したシステムである（特許文献１等参照）。
【０００３】
低温プローブの冷却は、冷媒が冷却装置内で熱交換器及び冷凍機に熱的に接続された冷却段を通過することにより低温となり、低温となった冷媒が低温断熱された移送管を介して低温プローブ内へと循環することにより行なわれている。従来、冷却装置と低温プローブを接続する移送管は、単なる管が使用されていた。冷却装置から送り込まれる冷媒は供給用の移送管を通って直接低温プローブの流路へと流れ込み、低温プローブを通過後、回収用移送管を通って冷却装置に回収されて再度冷却されていた。
【０００４】
図６に、従来の冷却装置１０１と低温プローブ１０２を組み合わせた極低温冷凍システムの構成例を示し、以下に冷媒の循環流路及び構成品の役割について説明する。
【０００５】
低温プローブ１０２内には、１系統目の流路１０３と２系統目の流路１０４が設けられている。真空ポンプ１０５はクライオスタット容器１０６内、フレキシブルチューブ１０７内、低温プローブ１０２の１系統目の流路１０３、２系統目の流路１０４の周囲を排気する。そして、移送管１０８、第１熱交換器１０９、第２熱交換器１１０、第１冷却段１１１、第２冷却段１１２等を真空断熱させている。
【０００６】
断熱材１１３は冷却装置１０１と低温プローブ１０２を接続する移送管１０８に巻き付けて、真空断熱と併用して外部との熱接触を低減させている。シールド板１１４は、第１冷却段１１１と熱的に接触した円筒形となっており、第１冷却段１１１、第２冷却段１１２、第２熱交換器１１０を覆った状態で冷却されているため、クライオスタット容器１０６の外部からの輻射熱を遮る役目を果たしている。
【０００７】
冷凍機１１５は、温度が異なる第１冷却段１１１と第２冷却段１１２を備え、冷媒を冷却する構造となっている。この場合は、第２冷却段１１２のほうが、第１冷却段１１１よりも低温となっている。圧縮機１１６は冷凍機１１５と低温プローブ１０２へ冷媒を供給する役割を果たす。第１熱交換器１０９及び第２熱交換器１１０は、２重管構造となっており、内側の管内を流れる冷媒と、内側と外側の管の間を流れる冷媒は互いに向かい合う流れ（向流）となって熱交換を行なう。流量制御弁１７により移送管を流れる冷媒の流量を調整する。
【０００８】
次に冷媒の流路について説明する。圧縮機１１６から供給された冷媒は、冷凍機１１５と、クライオスタット容器１０６の内部へ向かう２方向に分岐される。冷凍機１１５に入った冷媒は冷凍機１１５の内部で熱を汲み上げて第１冷却段１１１及び第２冷却段１１２を冷却し、再び圧縮機１１６の内部へと戻る。一方、移送管に供給された冷媒は第１熱交換器１０９に入り、圧縮機１１６へ戻る冷媒と熱交換を行ない、１系統目の低温プローブ流路１０３に供給される。ここで、１系統目の低温プローブ流路１０３に供給される冷媒の温度は約６０Ｋである。１系統目の低温プローブ流路１０３を通過した冷媒は、第１冷却段１１１によって冷却された後、第２熱交換器１１０にて、第２冷却段１１２によって冷却された冷媒と熱交換を行ない、２系統目の低温プローブ流路１０４に供給される。２系統目の低温プローブ流路１０４に供給される冷媒の温度は約１２〜１５Ｋである。２系統目の低温プローブ流路１０４を通過した冷媒は第２冷却段１１２にて冷却され、第２熱交換器１１０にて、第１冷却段１１１によって冷却された冷媒と熱交換を行なう。その後、第１熱交換器１０９にて、１系統目の低温プローブ流路１０３へ向かう冷媒と熱交換を行ない、圧縮機１１６へ回収される。
【特許文献１】特開２００５−１０６６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、冷凍機にギフォード・マクマホン冷凍機、スターリング冷凍機、またはソルベイ冷凍機等の冷凍機を使用した場合、冷凍機内で周期的な温度の振れが発生し、冷媒を伝って温度の振れが低温プローブへと伝わり検出感度が振れてしまう。
【００１０】
そこで本発明は、温度が安定した冷媒を被冷却体に供給する極低温冷凍システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明の極低温冷凍システムは、クライオスタット容器の内部に、冷凍機及び前記冷凍機と熱的に接続された熱交換器を備え、前記熱交換器にて冷媒を冷却し、前記冷媒の循環により被冷却体を冷却する極低温冷凍システムである。本発明の極低温冷凍システムは、熱交換器と前記被冷却体との間に配置される、冷媒を循環させる低温断熱された複数の移送管の途中の少なくとも一ヶ所に均熱器を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱交換器と被冷却体との間に配置される移送管に均熱器を備えることにより、温度が安定した冷媒を被冷却体に供給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に本発明の極低温冷凍システムの構成例を示す。該極低温冷凍システムは核磁気共鳴装置の低温プローブを被冷却体とした場合の実施例である。
【００１４】
被冷却体である低温プローブ２内には、１系統目の流路３と２系統目の流路４が設けられている。真空ポンプ５はクライオスタット容器６内、フレキシブルチューブ７内、低温プローブ２の１系統目の流路３、２系統目の流路４の周囲を排気して、複数の移送管８、第１熱交換器９、第２熱交換器１０、第１冷却段１１、第２冷却段１２等を真空断熱させている。
【００１５】
熱交換器９と１系統目の低温プローブ流路３との途中に均熱器１８ａが組み込まれ、熱交換器１０と２系統目の低温プローブ流路４との途中には均熱器１８ｂを組み込まれている。なお、均熱器１８ａ、１８ｂはいずれか一方少なくとも一ヶ所に設けるものであってもよい。
【００１６】
断熱材１３は冷却装置１と低温プローブ２を接続する移送管８に巻き付けて、真空断熱と併用して外部との熱接触を低減させている。
【００１７】
シールド板１４は、第１冷却段１１と熱的に接触した円筒形となっており、第１冷却段１１、第２冷却段１２、第２熱交換器１０を覆った状態で冷却されているため、クライオスタット容器６の外部からの輻射熱を遮る役目を果たしている。
【００１８】
冷凍機１５は、温度が異なる第１冷却段１１と第２冷却段１２を備え、冷媒を冷却する構造となっている。この場合は、第２冷却段１２のほうが、第１冷却段１１よりも低温となっている。冷凍機１５としてはギフォード・マクマホン冷凍機、スターリング冷凍機、またはソルベイ冷凍機等が適用可能である。
【００１９】
圧縮機１６は冷凍機１５と低温プローブ２へ冷媒を供給する役割を果たす。
【００２０】
第１熱交換器９及び第２熱交換器１０は、２重管構造となっており、内側の管内を流れる冷媒と、内側と外側の管の間を流れる冷媒は互いに向かい合う流れ（向流）となって熱交換を行なう。流量制御弁１７により移送管を流れる冷媒の流量を調整する。
【００２１】
ここで、均熱器１８ａ、１８ｂの構造の詳細について図２ないし図６を用いて説明する。
【００２２】
図２は、均熱器１８ａの側面図である。なお、均熱器１８ｂは均熱器１８ａと同じ構造であるため、ここでは均熱器１８ａを例に説明することとする。
【００２３】
均熱器１８ａは管を１巻以上螺旋状に捲回させ隣接した管と熱的に接触させた構造を有する。
【００２４】
均熱器１８ａは、図３に示す冷媒の温度変化周期の１／２周期分が、螺旋状の管のほぼ１巻分に相当するように構成するのが好ましい。このような構成とすることで図４に示すように、高温の冷媒が流れる管の部分と低温の冷媒が流れる管の部分とが熱的に接触することとなり、熱交換の効率が高くなる。
【００２５】
また、均熱器１８ａは、図５に示すように、螺旋状の管を、低温において比熱の大きい金属製、例えば鉛製の伝熱体１９ａで覆うとともに伝熱体１９ａと螺旋状の管の隙間をインジウムシート２０等の熱伝導の良い物質で埋める構造としてもよい。このような構造とすることで、より一層熱交換の効率が良くなり冷媒の温度の振れを小さくすることができ、温度が安定した冷媒を供給できる。
【００２６】
また、これとは逆に図６に示すように、鉛製の伝熱体１９ｂを螺旋状の管の螺旋内にて保持する構造にし、伝熱体１９ｂと螺旋状の管の隙間をインジウムシート２０等にて埋めるものとしてもよい。
【００２７】
再び図１を参照して、本発明の極低温冷凍システムにおける冷媒の流れについて説明する。
【００２８】
圧縮機１６から供給された冷媒は、第１熱交換器９を通り、均熱器１８ａを通過することで安定した温度となった後、移送管８を通り、１系統目の低温プローブ流路３へ供給される。
【００２９】
１系統目の低温プローブ流路３を通った冷媒は、冷却装置１に戻り、第１冷却段１１及び第２熱交換器１０を通った後、均熱器１８ｂにて安定した温度となり、移送管８を通り、２系統目の低温プローブ流路４へ供給される。
【００３０】
２系統目の低温プローブ流路４を通った冷媒は、冷却装置１に戻り、第２冷却段１２、第２熱交換器１０及び第１熱交換器９を通って圧縮機１６に回収される。
【００３１】
以上のように、本発明の極低温冷凍システムは、均熱器１８ａ、１８ｂを通過した際に冷媒の温度の振れを小さくすることができ、温度が安定した冷媒を低温プローブ２に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の極低温冷凍システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明の均熱器の側面図である。
【図３】冷媒の温度変化周期を模式的に示すグラフである。
【図４】均熱器の温度分布を模式的に示す側面図である。
【図５】本発明の均熱器の他の例の側面図である。
【図６】本発明の均熱器のさらに他の例の側面図である。
【図７】従来の極低温冷凍システムの構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
２    低温プローブ
６    クライオスタット容器
８    移送管
９    第１熱交換器
１０    第２熱交換器
１５    冷凍機
１６    圧縮機
１８ａ、１８ｂ    均熱器
【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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【図６】
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【図７】
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