(57)【要約】【課題】  導電体を超伝導する温度まで冷却するのに使用するための冷却装置を提供する。【解決手段】  冷却装置は、冷却剤が流れる閉じた経路を形成する冷却システムを含む。このシステムは、冷却剤を流すためのポンプ、ポンプから冷却位置まで延びてその位置を冷却するための低温保持装置に配置された供給ライン、及び冷却位置からポンプまで延びる戻りラインを含む。ポンプは、低温保持装置の外部に配置される。第１の熱交換器は、低温保持装置内に配置され、供給ラインを流れる冷却剤が戻りラインを流れる冷却剤によって冷却されるように、供給及び戻りラインを連結してその間の熱交換を可能にする。低温保持装置内に冷却段を有し、第１の冷却段に到達する冷却剤が第１の熱交換器によって予備冷却されるように第１の熱交換器の下流で供給ラインに連結された冷凍機が設けられる。【選択図】          図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却剤を流すためのポンプ、
前記ポンプから冷却位置まで延びてその位置を冷却するための、低温保持装置に配置された供給ライン、及び
前記冷却位置から前記低温保持装置の外部に配置された前記ポンプまで延びる戻りライン、
を含む、冷却剤が流れる閉じた経路を形成する冷却システムと、
前記供給ラインを流れる冷却剤が前記戻りラインを流れる冷却剤によって冷却されるように、該供給及び戻りラインを連結してその間の熱交換を可能にするための、前記低温保持装置内に配置された第１の熱交換器と、
前記低温保持装置内に冷却段を有し、第１の冷却段に到達する冷却剤が前記第１の熱交換器によって予備冷却されるように該第１の熱交換器の下流で前記供給ラインに連結された冷凍機と、
を含むことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記冷却システムは、前記供給ラインの一部を形成する冷却剤含有容器を含み、
前記冷凍機の前記冷却段は、前記冷却剤含有容器に位置する、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記冷却剤含有容器はまた、前記冷却位置で補助冷却剤含有容器に接続され、それによって前記冷却剤の一部分は、該冷却剤含有容器から該補助冷却剤含有容器まで流れることができることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記冷却システムは、前記冷却位置に配置されたヘリウムラムダ−ポイント冷凍機を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記低温保持装置内に配置され、前記供給ラインを流れる冷却剤が前記戻りラインを流れる冷却剤によって冷却されるように、該供給及び戻りラインを連結する第２の熱交換器を更に含み、
前記第２の熱交換器は、前記供給ラインに沿った冷却剤の流れの方向に対して前記第１の熱交換器の上流にある、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記冷凍機は、１つの前記冷却段よりも温度が高い付加的な冷却段を有し、
前記付加的な冷却段は、前記低温保持装置内に位置し、前記供給ラインに連結されて前記第１の熱交換器の上流の位置で該供給ラインを冷却する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記冷凍機は、１つの前記冷却段よりも温度が高い付加的な冷却段を含み、
前記付加的な冷却段は、前記低温保持装置内に位置し、該低温保持装置のシールドに連結されて該シールドを冷却する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記シールドは、前記冷凍機の前記付加的な冷却段が該シールド及び前記供給ラインの冷却剤の両方を冷却するように、第３の熱交換器を通じて該供給ラインに連結されることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第２の熱交換器は、前記シールドの外側に配置されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記シールドはまた、該シールドに取り付けられた第２の冷却剤含有容器内に含まれた第２の冷却剤によって冷却されることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記冷却システムの前記冷却剤は、ヘリウムを含むことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記冷凍機は、パルスチューブ低温冷却器を含むことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記冷凍機は、スターリング、ギフォード−マクマホン、ジュール−トムソン、又は希釈冷凍機を含むことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記冷凍機の１つの前記冷却段は、約４Ｋの温度を供給することを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記冷凍機の前記付加的な冷却段は、４０−５０Ｋの範囲の温度を供給することを特徴とする少なくとも請求項６に記載の装置。
【請求項１６】
前記冷却位置に配置された超伝導磁石を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記超伝導磁石は、サンプルを収容するようになった室温ボアを形成することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の冷却装置と、
サンプルを支持するための手段を有する、前記ボアに挿入するためのプローブと、
を含むことを特徴とするＮＭＲ又はＩＣＲ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、導電体を超伝導する温度まで冷却するのに使用するための冷却装置に関する。本発明は、ＮＭＲ（核磁気共鳴）とＩＣＲ（イオンサイクロトロン共鳴）実験で使用するために電磁石を超伝導する条件まで冷却するのに特に適する。
【背景技術】
【０００２】
高フィールドＮＭＲ磁石は、超伝導体の臨界電流容量を改善してより高い磁界を発生させるために、液体4Ｈｅの大気中の沸点（４．２Ｋ）よりも数ケルビン低い温度まで「過冷却される」ことが多い。これは、通常は磁石が浸漬された液体4Ｈｅの槽を使用して達成される。磁石の槽又は容器は、通常〜２．２Ｋまで冷却され、この温度は、4Ｈｅ（Ｔλ＝２．１７Ｋ）の超流動転移温度、すなわちλ点よりも僅かに高い。
【０００３】
２つの理由のために、２．２Ｋは好ましい作動温度である。4Ｈｅの比熱容量は、λ点でピークに達するので（図２）、システムの温度安定性を改善するためにこのラムダポイントのできるだけ近くで作動するのが望ましい。しかし、λ点よりも下で作動するのは、一般的に望ましくないものと見なされる。これは、ある割合の液体が粘性ゼロの超流動体になり、より高い温度の低温保持装置の区域に向って、たとえ重力に対抗しても、最小の亀裂やオリフィスを通って流れ、大幅な熱漏れをもたらして、ボイルオフ（いわゆる「スーパーリーク」現象）を増加させることになるためである。
【０００４】
初期の過冷却システムでは、液体Ｈｅを含む磁石含有容器が単により低圧にポンピングされ、従って、液体槽を次第に蒸発させて磁石を過冷却した。単純な設計のためにシステムをウオームアップする必要があり、従って、槽に補充が必要な時は、磁石の電源を切る必要がある。この大きなコストと不便さを回避するために、Ｒｏｕｂｅａｕ他（Ｂｉｌｔｃｌｉｆｆｅ，  Ｈａｎｌｅｙ、  ＭｃＫｉｎｎｏｎ，  Ｒｏｕｂｅａｕ）（「４．２Ｋ未満の温度における超伝導磁石の作動」、Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ、１９７２年２月、４４−４７ページ）によってラムダポイント冷凍機が発明された。
【０００５】
より最近では、図１に示すように、「ラムダポイント冷凍機」が使用されている。図１を参照すると、磁石２は、大気圧で第１の冷却剤含有容器１内の液体Ｈｅに浸漬される。大気中に開放した第２の冷却剤含有容器３は、４．２Ｋで沸騰する液体Ｈｅのリザーバを保持し、このリザーバ３は、いつでも再充填することができる。それは、急冷弁１４を通じて容器１に接続される。液体Ｈｅは、第２の容器３から（任意的な）第２の熱交換器６と膨張弁４を通じて第１の容器１内の熱交換器５に搬送される。熱交換器５は、一般的に、第１の容器の液体ヘリウム槽の上部に浸漬されたコイル状ループ菅である。弁４の下流側のループ５内の圧力は、外部ポンプ１３を使用してポンピングすることにより、通常は２０−５０ミリバールまで降下する。弁４を通過するヘリウム液は、弁に亘る圧力降下のために部分的に蒸発し、数ケルビンだけ冷却される。ループ内で降下した蒸気圧は、残りの液体の沸点温度を低下させ、この液体は、結果的に蒸発して磁石槽から熱を吸収し、５を通る熱交換を通じてそれを冷却する。熱交換器５を出て行く蒸気は、任意的な第２の熱交換器６を通過し、この熱交換器は、弁内で蒸発する割合を低減するために、及び、従って所定の冷却力に対して必要な質量流量を低下させるために、弁に入ってくる液体を予冷却する。
【０００６】
構成要素４、５、６によって構成されたラムダポイント冷凍機の冷却力は、次の式で与えられる。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
ここで、ｄｍ／ｄｔは全質量流量、Ｈはエンタルピー、λは、弁内で瞬時に蒸気に蒸発した液体の割合である。
これまで説明した構成要素は、以下に説明するいくつかのシールドを含む低温保持装置２０内に位置する。
【０００９】
第２の熱交換器６を出る冷たい蒸気は、別の熱交換器１０を通って低温保持装置２０を上方に通過し、約４０Ｋの温度に置かれているガス冷却シールド７から熱を吸収し、次に、最終の熱交換器１１を通過して第２のシールド８から熱を吸収する。低温保持装置２０のシールド７及び８は、ヘリウム容器１及び３に対する放射熱負荷を低減し、全ボイルオフを低減する。外側シールド８には最も大きな放射負荷があるために、シールド８には、シールド８と熱的に接続した容器８ａにおいて大気圧（７７Ｋ）で沸騰する窒素から補助的な冷却を持たせるのが普通である。容器アセンブリ全体は、ガス抜きされた容器９に収容され、伝導と対流による損失を少なくする。磁石２と内側の容器とは、一般的に、ファイバグラスロッドのウェブ（図示しない）を使用して吊され、対流熱負荷を少なくする。常温常圧のボアチューブ（図示しない）は、アセンブリを通過し、磁石ボア２２を通過して、サンプルを磁石２の内部に配置させる。
【００１０】
低温保持装置２０の外側に配置されたポンプ１３を通過した後で、ヘリウムガスは、大気に排出されて無くなるか、又は後で再使用するために収集される（別のプラントで再液化された後に）。
磁石急冷の場合は（超伝導状態の故障及び保存された磁石エネルギの熱としての解放）、バネで閉じられた安全弁１４は、第１の容器１内の沸騰ヘリウムを第２の容器３に逃がし、従って、危険な過圧条件が発生する前に大気中に逃がす。
【００１１】
【非特許文献１】Ｒｏｕｂｅａｕ他（Ｂｉｌｔｃｌｉｆｆｅ，  Ｈａｎｌｅｙ、  ＭｃＫｉｎｎｏｎ，  Ｒｏｕｂｅａｕ）「４．２Ｋ未満の温度における超伝導磁石の作動」、Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ、１９７２年２月、４４−４７ページ
【非特許文献２】Ｂｕｃｋｉｎｇｈａｍ，Ｍ．Ｊ及びＦａｉｒｂａｎｋ，Ｗ．Ｍ．著「ラムダ遷移の性質」、「低温物理学ＩＩＩ」に掲載予定、１９６１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のシステムは、再充填の問題を解決する一方で、大量のヘリウムを消費する。地球全体のヘリウムの供給量が限られており、次の１０年間で価格の大幅な上昇が予想される。従って、過冷却低温保持装置で使用されるヘリウムの量を低減するのが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、冷却装置は、冷却剤を流すためのポンプ、ポンプから冷却位置まで延びてその位置を冷却するための低温保持装置に配置された供給ライン、及び冷却位置から低温保持装置の外部に配置されたポンプまで延びる戻りラインを含む、冷却剤が流れる閉じた経路を形成する冷却システムと、供給ラインを流れる冷却剤が戻りラインを流れる冷却剤によって冷却されるように、供給及び戻りラインを連結してその間の熱交換を可能にするための低温保持装置内に配置された第１の熱交換器と、低温保持装置内に冷却段を有し、第１の冷却段に到達する冷却剤が第１の熱交換器によって予備冷却されるように第１の熱交換器の下流で供給ラインに連結された冷凍機とを含む。
【００１４】
本発明人は、Ｈｅのような冷却剤が流れる閉じた経路を形成する冷却システムを提供することにより、上述の問題のソリューションをもたらした。これは、冷却システムの再充填の必要性を回避し、本発明を実施するために既存の冷却システムに対して単に小さな変更のみを行うことを必要とするという付加的な利点を有する。このソリューションは、少なくとも１つの冷却段を有する冷凍機の使用を伴い、この冷凍機は、冷却剤が第１の冷却段に到達する前にそれを予備冷却するための第１の熱交換器を含むことにより、その冷却段を助けるものである。これは、パルスチューブ冷凍機などの従来の冷凍機を使用することができる程度まで第１の冷却段の電力要求を少なくする。一般的に、冷却システムは、冷却位置に配置されたラムダポイント冷凍機を含み、一方、この冷却位置は、補助冷却剤含有容器内に位置することができる。代替的に、冷却される品目を冷却システムの閉じた経路に直接接続することができるであろう。
【００１５】
いくつかの場合では単一の第１の熱交換器で十分であるが、特により高い温度に冷却する時は、好ましくは、装置は、供給ラインを流れる冷却剤が戻りラインを流れる冷却剤によって冷却されるように供給及び戻りラインを連結する、低温保持装置内に配置された第２の熱交換器を更に含み、この第２の熱交換器は、供給ラインに沿った冷却剤の流れの方向に対して第１の熱交換器の上流にある。
第２の熱交換器の使用は、付加的な予備冷却の達成を可能にするので冷凍機に対する電力要件を更に発生させる。勿論、必要に応じて、更に別の熱交換器を設けることもできるであろう。
【００１６】
いくつかの場合では、単一段冷凍機を使用することができるが、好ましい実施例では、冷凍機は、１つの冷却段よりも温度が高い付加的な冷却段を有し、この付加的な冷却段は、低温保持装置内に位置し、供給ラインに連結されて第１の熱交換器の上流の位置で供給ラインを冷却する。
それに加えて又は代替的に、冷凍機は、１つの冷却段よりも温度が高い付加的な冷却段を有し、この付加的な冷却段は、低温保持装置内に配置され、低温保持装置のシールドに連結されてシールドを冷却する。
【００１７】
最も好ましい実施形態では、付加的な冷却段は、供給ライン内の冷却剤及びシールドの両方を冷却する。
第２の熱交換器が設けられる場合、これは、好ましくは、供給ラインに沿った冷却剤の流れの方向に対して冷凍機の１つの冷却段の上流に配置される。
一般的に、冷却システムの閉じた経路を流れる冷却剤はＨｅを含むが、冷却位置で要求される温度に応じて他の冷却剤を使用することもできるであろう。例えば、代替として窒素がある。
【００１８】
冷凍機は、一般的に、振動の問題が最小限であることからパルスチューブ冷凍機のような電気を動力とする機械式冷凍機である。しかし、低温の冷却段を提供し、冷却剤（4Ｈｅなど）を消費する任意の冷却器を使用できることが認められるであろう。従って、パルスチューブ冷凍機に対する代替として、スターリング、ギフォード−マクマホン、ジュール−トムソン冷凍機、及び希釈冷凍機などが含まれる。
【００１９】
上述のように、冷却装置は、様々な対象物を冷却するために使用することができるが、例えば、超伝導磁石が要求されるＮＭＲ、ＭＲＩ、及びＩＣＲにおいて必要な導電体をそれらの超伝導条件まで冷却するのに特に適する。これらの場合では、磁石は、一般的に室温でボアを形成することになり、周囲の容器は、ボアへの遠隔アクセスを可能にするような形状にされることになる。
ここで、添付図面を参照して本発明による冷却装置の例を以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下の説明では、図１に示すものと同じである図３に示す装置の構成要素に同じ参照番号が付され、詳細については再度説明されない。
図３の例では、ポンプ１３から低温保持装置内のポンプフィルタ１３ａを通じてラムダ冷凍機４−６まで延びる供給ライン２６と、ラムダ冷凍機からポンプ１３まで戻る戻りライン２８とによって形成された閉じた冷却システムが提供される。供給ライン２６は、第２の容器３の中に開放され、２段パルスチューブ冷凍機（ＰＴＲ）２４の第２段に連結される。この第２段１６は、容器３内で沸騰するヘリウム蒸気を再凝縮させ、供給ライン２６に沿って供給されるヘリウムも同様に凝縮させる。それは、一般的に、数十から数百ｍＷの電力を消耗する。
【００２１】
ＰＴＲの第２段１６に到達する前に、供給ラインは、「第１」熱交換器１７を通って延び、この熱交換器は、供給ライン２６を戻りライン２８と連結する。この熱交換器１７は、戻りライン２８内の低温の戻りヘリウムが第１の冷却段に到達する前に、供給ライン２６に沿って供給されるヘリウムを冷却する。これは、第１冷却段１５で必要とされる冷却力を低減する。この第１の熱交換器１７は、ＰＴＲ２４の第２段１６の冷却の電力要件を約１Ｗ（４．２Ｋにおける現在のＰＴＲ技術の限界）よりも低く保つために特に重要である。
【００２２】
「第２」熱交換器１９は、供給ラインに対して熱交換器１７の上流に設けられる。熱交換器１９は、供給ライン内のヘリウムを更に予冷却するように、供給及び戻りライン２６及び２８間の更なる熱交換を可能にする。
「第３」熱交換器１８は、供給ライン２６とシールド８の間に連結して設けられる。シールド８は、ＰＴＲ２４の第１段１５に接続され、これは、外側のシールド８を約４０Ｋまで冷却するために使用され、これは、一般的な大型ＮＭＲ磁石システムに対して約３０Ｗを必要とする。これらの接続により、ＰＴＲ２４の第１段１５は、シールド８及び供給ライン２６内のヘリウムの両方を冷却する。
【００２３】
熱交換器１７及び１９は、従来技術のシステムではシールド７及び８を冷却するために使用されたラムダポイント冷凍機を出る冷たいガスのエンタルピーを使用する。熱交換器１８は、ＰＴＲ２４の第１段１５に僅かな熱負荷（数ワット）を加える。
現在のＰＴＲ技術は、４．２Ｋで約１Ｗの第２段１６の冷却力に制限される。熱交換器１７なしでは、典型的な従来の高フィールドＮＭＲ磁石低温保持装置内のラムダ冷凍機からの全ヘリウムボイルオフを再凝縮させることは不可能であろう。暖かいガスのエンタルピーを熱交換器１７（及び、好ましくは１９も）内の冷凍機の排気と交換することにより、問題は解決される。
従って、本発明は、通常運転ではヘリウムを消費しないゼロボイルオフ（ＺＢＯ）システム提供し、従って、破壊的で高価な再充填が必要ないという大きな利益を提供することが分るであろう。
【００２４】
以下の解析からも「第１」熱交換器１７の効果を見ることができる。
第１段１５が気化ヘリウムを約４５Ｋまで冷却すると仮定すると、熱交換器１７がない状態では、第２段１６に必要な冷却力は、以下のようであるべきである。
Ｑ’＝ｎ’・（ＨT=45K−ＨT=4.2）＋ｎ’・Ｌ＝３．５・１０-3・（９３２−８７）＋３．５・１０-3・８３＝３＋０．３≒３．３ワット
ここで、Ｌ＝８３Ｊ／Ｍｏｌ（ヘリウムの潜熱）、ｎ’＝ヘリウムの流量、ＨT＝ヘリウムのエンタルピー、である。
【００２５】
しかし、出て行くヘリウムの流れの冷却力は、第１段１５が冷却を達成するので、どの放射シールドを冷却するのにも使用する必要がないために（従来技術と異なり）、この冷却力は、入ってくるヘリウムの流れの予冷のために使用することができる。出て行く流れと戻り又は入ってくる流れの循環は同じであり、従って、４５Ｋから約５Ｋまで低下させる戻り流れの予冷は、熱交換器１７を使用して達成することができる。その結果、第２段で必要とされる加熱力は、約０．３−０．４５Ｗまで低減することができる。そのような電力は、市販のパルスチューブ冷凍機から容易に利用可能である。
先に説明したように、図面に示すシステムを使用して、様々な品目、特に、ＭＲＩ、ＮＭＲ、及びＩＣＲのような任意の従来の構成に使用される場合がある超伝導磁石を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】公知の冷却装置を通した概略断面図である。
【図２】ラムダポイント近辺の4Ｈｅの熱容量を示す図である。
【図３】本発明の一例を示す、図１と類似の図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  第１のヘリウム容器
２  磁石
３  第２のヘリウム容器
６、１０、１１  熱交換器
７、８  シールド
１３  ポンプ
２０  低温保持装置
【図１】
2005351613.tif 000004
【図２】
2005351613.tif 000005
【図３】
2005351613.tif 000006
【外国語明細書】
2005351613.tif 000007
2005351613.tif 000008
2005351613.tif 000009
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