(57)【要約】【課題】  極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて貯留槽に返送するためのヘリウム再液化処理を円滑に実行することを目的とする。【解決手段】  ヘリウム再液化装置２０は、ヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉する多孔性捕捉部３２５を有する精製器３０と、精製器３０の流体入口に接続された排気ポンプ２５と、精製器３０の流体出口に接続された逆止弁５０と、凝縮器本体４０１の内部で固化した不純物を液化ヘリウムと共に貯留する液溜め部４０６を有する凝縮器４０とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて前記貯留槽に返送するヘリウム再液化処理に使用され、前記貯留槽から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉する精製器であって、
精製器本体と、
前記ヘリウムガスの流通を許容すると共に当該ヘリウムガスと十分に接触するように構成されており、前記精製器本体の出口側に配置されると共に冷熱源に接続された多孔質性の捕捉手段とを備えることを特徴とする精製器。
【請求項２】
前記捕捉手段は、高密度に集合させられた多数の微小粒状体を含むことを特徴とする請求項１に記載の精製器。
【請求項３】
極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて前記貯留槽に返送するヘリウム再液化処理に使用され、前記貯留槽から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉する精製器であって、
冷熱源に接続された精製器本体と、
前記精製器本体の内部に並設された複数の冷却室とを備え、
互いに隣り合う前記冷却室同士は、ヘリウムガスが一方の冷却室の内壁に沿って流通してから他方の冷却室に流れ込むように連通されており、前記精製器本体の軸方向における前記冷却室の寸法は、前記精製器本体の出口に近づくにつれて小さくなっていることを特徴とする精製器。
【請求項４】
前記各冷却室の内部には、ヘリウムガスの進路を変えるように邪魔板が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の精製器。
【請求項５】
極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて前記貯留槽に返送するヘリウム再液化装置であって、
前記貯留槽から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉する精製器と、
前記精製器により捕捉された不純物を加熱するためのヒータと、
前記精製器の流体入口に接続された吸引手段と、
前記精製器の流体出口に接続されており、弁入口および弁出口を有する本体と、前記本体の内部に配置されており、前記弁入口と前記弁出口との間の圧力差に応じて前記弁入口を開放または閉鎖するように移動することができる弁体とを含む逆止弁とを備えるヘリウム再液化装置。
【請求項６】
低温環境下で使用される弁機構であって、
弁入口および弁出口を有する本体と、
前記本体の内部に配置されており、前記弁入口と前記弁出口との間の圧力差に応じて前記弁入口を開放または閉鎖するように移動することができる弁体とを含む弁機構。
【請求項７】
前記本体は、前記弁体を受けるテーパ面と、前記弁体の前記弁出口への移動を規制する規制手段とを含むことを特徴とする請求項６に記載の弁機構。
【請求項８】
極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて前記貯留槽に返送するヘリウム再液化処理に使用され、前記貯留槽から回収されたヘリウムガスを再液化させる凝縮器であって、
凝縮器本体と、
前記凝縮器本体に設けられており、前記凝縮器本体内で固化した不純物を液化ヘリウムと共に貯留する液溜め部とを備えることを特徴とする凝縮器。
【請求項９】
前記凝縮器本体から前記貯留槽に液体ヘリウムを返送するための返送管と、前記凝縮器本体を傾斜させるための傾斜手段とを更に備え、
前記凝縮器本体と前記返送管との接続部は、前記液溜め部に形成される液面のうち、前記傾斜手段によって前記凝縮器本体を傾斜させても変位しない位置に関連付けて配置されていることを特徴とする請求項８に記載の凝縮器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて貯留槽に返送するためのヘリウム再液化処理に関し、特に、このようなヘリウム再液化処理に使用され得る精製器、ヘリウム再液化装置、弁機構および凝縮器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、生体磁気計測システム、心磁計、ＮＭＲ装置、ＭＲＩ装置等といった計測器等の冷却には、極低温（およそ４Ｋ）の液体ヘリウムが用いられている。かかる液体ヘリウムは、希少な資源であると共に比較的高価なものであることから、冷却過程で気化したヘリウムガスを大気に開放してしまうのは好ましいことではない。このため、ヘリウムガスの再利用を可能とするための技術として、極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて貯留槽に返送するヘリウム再液化装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）
【０００３】
上述のヘリウム再液化装置は、ヘリウムをおよそ４Ｋにまで冷却可能なギフォードマクマホンサイクル冷凍機（以下、「ＧＭ冷凍機」という）と、このＧＭ冷凍機に接続された凝縮器と、貯留槽から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉する精製器とを含む。貯留槽で発生した低温（およそ４〜１０Ｋ）のヘリウムガスは、凝縮器に送られ、極低温の液体ヘリウムへと再液化させられる。また、貯留槽で発生した比較的高温（およそ３００Ｋ）のヘリウムガスは、循環ポンプによって回収されて精製器に導入され、そこでヘリウムガスから窒素や酸素といった不純物が除去される。精製器を通過したヘリウムガスは、ＧＭ冷凍機によって段階的に冷却された後、凝縮器に送られ、そこで極低温の液体ヘリウムへと再液化させられる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１０５０７２号公報
【特許文献２】米国特許第６，４４２，９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のようなヘリウム再液化処理に用いられる精製器は、ヘリウムガス中の不純物を確実に捕捉して、下流側への不純物の流出を抑制可能なものでなければならない。また、精製器が不純物によって閉塞し始めた場合には、不純物の下流側への流出を確実に抑制しながら、精製器から確実に不純物を除去する必要がある。更に、精製器から凝縮器へと不純物が流入するおそれもあるので、その不純物を下流側に流出させないために、低温環境下で確実に作動する弁機構が必要不可欠である。
【０００６】
本発明は、上述の一つまたはそれ以上の問題点を解決することに向けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の精製器は、極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて貯留槽に返送するヘリウム再液化処理に使用される。この精製器は、貯留槽から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉するものであり、精製器本体と、多孔質性の捕捉手段とを備える。捕捉手段は、ヘリウムガスの流通を許容すると共に当該ヘリウムガスと十分に接触するように構成されており、精製器本体の出口側（最下流側）に配置されると共に例えばＧＭ冷凍機等の冷熱源に接続されている。この精製器によれば、貯留槽から回収されるヘリウムガス中の窒素や酸素といった不純物を冷却・固化させて確実に捕捉することが可能となる。この場合、精製器本体の入口から捕捉手段の入口までの距離をできるだけ長くするとよい。また、精製器本体は、その入口から捕捉手段の入口までの間に、蛇行流路を含むとよい。
【０００８】
好ましくは、捕捉手段は、高密度に集合させられた多数の微小粒状体を含む。この場合、ヘリウムガス中の不純物は、冷熱源からの冷熱により冷却されて固化し、多数の微小な粒状体同士の間に形成される微小な隙間に確実に捕捉される。また、微小粒状体のサイズは、ヘリウムガスの流れ方向に沿って段階的に変化させられるとよい。
【０００９】
本発明の他の精製器も、極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて貯留槽に返送するヘリウム再液化処理に使用される。この精製器は、貯留槽から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉するものであり、例えばＧＭ冷凍機等の冷熱源に接続された精製器本体と、精製器本体の内部に並設された複数の冷却室とを備える。互いに隣り合う冷却室同士は、ヘリウムガスが一方の冷却室の内壁に沿って流通してから他方の冷却室に流れ込むように連通されており、これにより、ヘリウムガスが流通する蛇行流路が形成される。また、精製器本体の軸方向における冷却室の寸法は、精製器本体の出口に近づくにつれて小さくなっている。
【００１０】
このような精製器では、精製器本体におけるヘリウムガスの流路をより一層長くし、各冷却室の壁面等とヘリウムガスとが接触する確立を高めることができる。また、精製器本体の軸方向における冷却室の寸法を精製器本体の出口に近づくにつれて小さくすることにより、ヘリウムガスを均一に冷却して、精製器の閉塞を良好に抑制することが可能となる。この場合、各冷却室の内部には、ヘリウムガスの進路を変えるように邪魔板が配置されていると好ましい。
【００１１】
本発明のヘリウム再液化装置は、極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて貯留槽に返送するものである。このヘリウム再液化装置は、貯留槽から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉する精製器と、精製器により捕捉された不純物を加熱するためのヒータと、精製器の流体入口に接続された吸引手段と、精製器の流体出口に接続された逆止弁とを備える。逆止弁は、弁入口および弁出口を有する本体と、本体の内部に配置されており、弁入口と弁出口との間の圧力差に応じて弁入口を開放または閉鎖するように移動することができる弁体とを含む。
【００１２】
このヘリウム再液化装置では、精製器が閉塞を起こし始めた際に、ヒータと吸引手段とが作動させられる。ヒータが作動させられると、精製器により捕捉された不純物が加熱されて気化する。また、吸引手段が作動されると、逆止弁の弁入口側が弁出口側よりも低圧になり、弁体が弁入口を閉鎖するように移動する。これにより、精製器内で気化した不純物が逆止弁の下流側に流出することを阻止することができる。そして、精製器内で気化した不純物が吸引手段によって吸引されて外部に排出される。この結果、このヘリウム再液化装置では、不純物の下流側への流出を確実に抑制しながら、精製器から確実に不純物を除去することが可能となる。
【００１３】
本発明による弁機構は、低温環境下で使用される弁機構である。この弁機構は、弁入口および弁出口を有する本体と、本体の内部に配置されており、弁入口と弁出口との間の圧力差に応じて弁入口を開放または閉鎖するように移動することができる弁体とを含む。
【００１４】
この弁機構では、弁入口と弁出口との間に圧力差を生じさせるだけで、弁入口を開放または閉鎖することができる。従って、この弁機構は、例えばおよそ４〜４０Ｋの低温環境下においても極めて確実に作動する。
【００１５】
好ましくは、弁機構の本体は、弁体を受けるテーパ面と、弁体の弁出口への移動を規制する規制手段とを含む。また、弁体は、球体であるとよく、錐体であってもよい。
【００１６】
本発明による凝縮器は、極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて貯留槽に返送するヘリウム再液化処理に使用される。この凝縮器は、貯留槽から回収されたヘリウムガスを極低温の液体ヘリウムへと再液化させるものであり、凝縮器本体と、凝縮器本体に設けられた液溜め部とを備える。液溜め部は、凝縮器本体内で固化した不純物を液化ヘリウムと共に貯留する。従って、この凝縮器によれば、窒素や酸素といった不純物を確実に捕捉することが可能となる。
【００１７】
好ましくは、この凝縮器は、凝縮器本体から貯留槽に液体ヘリウムを返送するための返送管と、凝縮器本体を傾斜させるための傾斜手段とを備え、凝縮器本体と返送管との接続部は、液溜め部に形成される液面のうち、傾斜手段によって凝縮器本体を傾斜させても変位しない位置に関連付けて配置される。これにより、貯留槽へと返送される液化ヘリウムに不純物が混入するのを確実に抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムを回収し、再液化させて貯留槽に返送するためのヘリウム再液化処理を極めて円滑に長時間実行することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明によるヘリウム再液化装置を含む計測システムの一例である生体磁気計測システムを示す部分断面図である。生体磁気計測システム１は、脳の活動等を高時空間分解能で非侵襲的に計測可能な超電導量子干渉計（以下、「ＳＱＵＩＤ」という）２を備えており、人間の脳等から発せられる磁界を検出可能なものである。このＳＱＵＩＤ２は、その内部におよそ４Ｋの液体ヘリウムを貯留するデュワー（貯留槽）３に内包されており、デュワー３内の液体ヘリウムによって動作温度であるおよそ４Ｋに冷却される。
【００２１】
ＳＱＵＩＤ２およびデュワー３は、非磁性体の隔壁４により画成された磁気シールド室ＳＲ内に配置されている。図１からわかるように、デュワー３は、支持部材５によって、水平に延びる軸６の周りに回動自在に支持されており、デュワー３の下方には、図示されない座部および図示されないベッドが配置される。これにより、生体磁気計測システム１では、デュワー３を軸６の周りに回動（傾斜）させることにより、座部に着座した被検者またはベッドに横たわった被検者の脳等から発せられる磁界を計測することができる。
【００２２】
生体磁気計測システム１は、希少な資源であると共に比較的高価なヘリウムを有効に活用すべく、ＳＱＵＩＤ２の冷却によりデュワー（液体ヘリウム貯留槽）３内で気化したヘリウムを回収し、再液化させてデュワー３に返送するヘリウム再液化装置２０を有している。ヘリウム再液化装置２０は、後述のＧＭ冷凍機等を収容するコールドチャンバ２３や各種配管類を収容する容器２６を有し、磁気シールド室ＳＲの隣に配置された収容室ＡＲ内に配置されている。収容室ＡＲを画成する隔壁７の内面には、ヘリウム再液化装置２０から発せられる音や磁気の外部への漏洩を抑制するために、磁気シールド材が貼着されている。
【００２３】
コールドチャンバ２３および容器２６の支持機構には、磁気シールド室ＳＲ内の軸６と同軸かつ水平に延びるシャフト８が固定されており、シャフト８は、支持ブロック９によって回転自在に支持されている。シャフト８には、ウォームギア機構等の減速機構１０を介して回転ハンドル１１が接続されており、回転ハンドル１１を操作することにより、コールドチャンバ２３や容器２６をシャフト８の周りに回動させることができる。なお、容器２６の下部には、カウンタウェイトＷが取り付けられている。
【００２４】
また、生体磁気計測システム１は、磁気シールド室ＳＲを画成する隔壁４と、当該隔壁４と対向する収容室ＡＲの隔壁７とを貫通する駆動シャフト１２を有している。収容室ＡＲ内のシャフト８と結合させた駆動シャフト１２を回転させれば、磁気シールド室ＳＲ内から収容室ＡＲ内のコールドチャンバ２３や容器２６を回動（傾斜）させることができる。すなわち、生体磁気計測システム１では、患者の姿勢に合わせて磁気シールド室ＳＲ内のデュワー３を移動させた際に、収容室ＡＲ内のヘリウム再液化装置２０をデュワー３の姿勢に合わせて移動させることができる。
【００２５】
図１に示されるように、デュワー３とヘリウム再液化装置２０のコールドチャンバ２３とは、多層構造を有するトランスファチューブ１４を介して互いに接続される。トランスファチューブ１４は、後述の高温回収管Ｌ１、第２冷却管Ｌ５、低温回収管Ｌ６および返送管Ｌ７を一体化させたものである。トランスファチューブ１４は、磁気シールド室ＳＲの隔壁４に形成された弧状の長穴４ａと、収容室ＡＲの隔壁７に形成された弧状の長穴７ａとを貫通する。長穴４ａおよび７ａは、デュワー３やヘリウム再液化装置２０の回動中心（軸６やシャフト８等）を中心として形成されている。長穴４ａおよび７ａには、デュワー３、ヘリウム再液化装置２０およびトランスファチューブ１４の移動が完了した段階で、磁気シールド材１５が装填される。
【００２６】
図２は、ヘリウム再液化装置２０の系統図である。同図に示されるように、ヘリウム再液化装置２０は、主として、循環ポンプ２１、２台のＧＭ冷凍機２２、２台の精製器３０、凝縮器４０、ＧＭ冷凍機２２、精製器３０および凝縮器４０を収容するコールドチャンバ２３、デュワー３から比較的高温（およそ３００Ｋ）のヘリウムガスを回収するための高温回収管Ｌ１を含む。各ＧＭ冷凍機２２は、ヘリウムガスをおよそ４０Ｋまで冷却するための第１冷凍部２２ａおよびヘリウムガスをおよそ４Ｋまで冷却するための第２冷凍部２２ｂを有する。
【００２７】
高温回収管Ｌ１は、デュワー３の上部と循環ポンプ２１の吸入口とに接続されており、中途にバルブＶ１、マスフローメータＭＦ３および電磁弁ＥＶ１（ノーマルオープン）を有する。循環ポンプ２１の吐出口には、ガス管Ｌ２の一端が接続されており、ガス管Ｌ２は、フィルタＦ１，Ｆ２およびＦ３、一定流量制御弁ＭＦＣ１、流量計ＦＭおよびバルブＶ２を中途に有する。ガス管Ｌ２の他端は、コールドチャンバ２３内の一方の精製器３０の流体入口に接続されている。この精製器３０の流体出口には、逆止弁５０を介して第１冷却管Ｌ３の一端が接続されている。第１冷却管Ｌ３は、一方のＧＭ冷凍機２２の第１冷凍部２２ａに配置される伝熱管ＨＰ１と、当該一方のＧＭ冷凍機２２の第２冷凍部２２ｂに配置される伝熱管ＨＰ２とを有する。そして、第１冷却管Ｌ３の他端は、凝縮器４０に接続されている。
【００２８】
また、ガス管Ｌ２からは、フィルタＦ３と一定流量制御弁ＭＦＣ１との間で、ガス管Ｌ４が分岐されている。ガス管Ｌ４は、一定流量制御弁ＭＦＣ２、流量計ＦＭおよびバルブＶ３を中途に有する。ガス管Ｌ４の他端は、コールドチャンバ２３内の他方の精製器３０の流体入口に接続されている。この精製器３０の流体出口には、逆止弁５０を介して第２冷却管Ｌ５の一端が接続されている。第２冷却管Ｌ５は、一方のＧＭ冷凍機２２の第２冷凍部２２ｂに配置される伝熱管ＨＰ３を有する。そして、第２冷却管Ｌ５の他端は、デュワー３の上部に接続されている。なお、第２冷却管Ｌ５は、上述のトランスファチューブ１４の最外層に設けられ、その中央を流通するヘリウムを保冷する役割を果たす。
【００２９】
デュワー３から蒸発した比較的高温（およそ３００Ｋ）のヘリウムガスは、循環ポンプ２１によってデュワー３から回収される。回収されたヘリウムガスの一部は、ガス管Ｌ２を介して一方の精製器３０に送られ、この精製器３０によりヘリウムガス中の窒素や酸素といった不純物が除去される。この精製器３０から流出したヘリウムガスは、第１冷却管Ｌ３を流通する間に、一方のＧＭ冷凍機２２の第１冷凍部２２ａと、当該冷凍機２２の第２冷凍部２２ｂとで段階的に冷却された後、凝縮器４０へと送られる。
【００３０】
凝縮器４０は、２台のＧＭ冷凍機２２の第２冷凍部２２ｂに接続されており、凝縮器４０の器内温度は、各第２冷凍部２２ｂによりおよそ４Ｋに保たれている。凝縮器４０には、低温回収管Ｌ６と返送管Ｌ７とが接続されている。デュワー３で発生した低温（およそ４〜１０Ｋ）のヘリウムガスは、低温回収管Ｌ６を介して凝縮器４０に送られ、凝縮器４０で極低温（およそ４Ｋ）の液体ヘリウムへと再液化させられる。同様に、第１冷却管Ｌ３からのヘリウムガスも、凝縮器４０で極低温の液体ヘリウムへと再液化させられる。再液化されたヘリウムは、凝縮器４０から返送管Ｌ７を介してデュワー３へと戻される。また、デュワー３から回収された比較的高温（およそ３００Ｋ）のヘリウムガスの残りは、ガス管Ｌ４を介して他方の精製器３０に送られ、この精製器３０によりヘリウムガス中の窒素や酸素といった不純物が除去される。この精製器３０から流出したヘリウムガスは、第２冷却管Ｌ５を流通する間に、一方のＧＭ冷凍機２２の第１冷凍部２２ａでおよそ４０Ｋに冷却された後、デュワー３へと送られる。
【００３１】
一方、ガス管Ｌ２の循環ポンプ２１とフィルタＦ１との間には、バルブＶ４、フィルタＦ４、マスフローメータＭＦ４および電磁弁ＥＶ４を介してヘリウムボンベ２４が接続されている。ヘリウムボンベ２４は、常温（３００Ｋ）のヘリウムガスを貯留するものである。これにより、ヘリウム再液化装置２０では、電磁弁ＥＶ４とバルブＶ２とを開放させることにより、ヘリウムボンベ２４からのヘリウムガスを第１冷却管Ｌ３に送り込み、凝縮器４０で極低温の液体ヘリウムへと再液化させた上でデュワー３に供給（補充）することが可能となる。
【００３２】
更に、図２に示されるように、マスフローメータＭＦ５が、電磁弁ＥＶ２（ノーマルクローズ）を介してガス管Ｌ２の流量計ＦＭとバルブＶ２との間に、電磁弁ＥＶ３（ノーマルクローズ）を介してガス管Ｌ４の流量計ＦＭとバルブＶ３との間に接続されている。そして、このマスフローメータＭＦ５には、バルブＶ５および真空引きポートを介して排気ポンプ（吸引手段）２５が接続されている。排気ポンプ２５は、後述のように精製器３０から不純物を除去する際に使用される。
【００３３】
加えて、ヘリウム再液化装置２０は、圧力センサＰ１，Ｐ２およびＰ３を有する。圧力センサＰ１は、デュワー３内のヘリウムガスの圧力を検出する。圧力センサＰ２は、第１冷却管Ｌ３に接続された精製器３０の入口におけるヘリウムガスの圧力を検出し、圧力センサＰ３は、第２冷却管Ｌ５に接続された精製器３０の入口におけるヘリウムガスの圧力を検出する。これらの圧力センサＰ１〜Ｐ３は、図示されない他のセンサと共にコントローラ（図示省略）に接続されている。このコントローラは、各種センサの検出値に基づいて、上述の循環ポンプ２１、排気ポンプ２５および各種バルブ等を制御する。
【００３４】
次に、上述のヘリウム再液化装置２０の精製器３０、逆止弁５０および凝縮器４０について、それぞれ詳細に説明する。
【００３５】
（精製器）
精製器３０は、デュワー３から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉するものであり、図３に示されるように、良好な熱伝導性を有する銅材等により概ね円筒状に形成された精製器本体３０１を有する。精製器３０は、上述のコールドチャンバ２３内に配置され、精製器３０の周囲は真空雰囲気に保たれる。精製器本体３０１は、上部３０２と、上部３０２よりも大きい厚みを有する下部３０３とを含む。下部３０３には、環状の孔部３０３ａが形成されており、孔部３０３ａには、加熱ヒータＨが配置される。精製器本体３０１（下部３０３）の下端部は、連結部材３０４を介してＧＭ冷凍機２２の第１冷凍部２２ａに連結されている。これにより、ヘリウム再液化装置２０の稼動中、精製器本体３０１は、ＧＭ冷凍機２２によっておよそ４０Ｋに冷却される。精製器本体３０１（上部３０２）の上端部は、閉鎖部材３０５によって閉鎖されている。
【００３６】
精製器本体３０１の中心には、円筒状の導入管３０６が配置されており、導入管３０６の周囲には、円筒状の内管３０７が導入管３０６と同軸に配置されている。内管３０７は、下部３０３の内壁面から内方に延びる支持部３０３ｂに固定されている。導入管３０６の上端は、固定部材３０８により、内管３０７の上端に固定されている。上述の閉鎖部材３０５と導入管３０６の上端との間には、空間が画成される。また、導入管３０６の外壁面、内管３０７の内壁面および固定部材３０８により、断熱空間３０９が画成される。この断熱空間３０９の内部は、精製器本体３０１の周囲と同様に真空雰囲気に保たれる。
【００３７】
精製器本体３０１の上部３０２の内壁面と、内管３０７の外壁面との間には、複数の流路形成部材３１０が精製器本体３０１の軸方向に配設されている。流路形成部材３１０は、良好な熱伝導性を有する銅材により形成されており、内管３０７が挿入される中心孔部と概ね扇形の開口部３１１とを有する天井部３１２と、天井部３１２の外周から下方に延びる筒状の側壁３１４とを有する（図３および図４参照）。そして上下に隣り合う流路形成部材３１０同士は、開口部３１１同士が上下に重なり合わないように配置され、上下に隣り合う流路形成部材３１０（天井部３１２）同士の間には、冷却室３１５が画成される。また、上下に隣り合う流路形成部材３１０（天井部３１２）同士の間には、仕切板３１９が配置されている。仕切板３１９は、上側の位置する開口部３１１の一方の側縁部（例えば図４における下側の側縁部）と、下側に位置する開口部３１１の他方の側縁部（例えば図５における上側の側縁部）とに固定され、冷却室３１５内の流体の基本的な流れ方向を一方向にする。
【００３８】
これにより、上下に隣り合う冷却室３１５同士は、ヘリウムガスが上側の冷却室３１５の内壁に沿って流通してから下側の冷却室３１５に流れ込むように連通され、この結果、ヘリウムガスが流通する蛇行流路が形成される。そして、各冷却室３１５の内部には、ヘリウムガスの進路を変えて冷却室３１５内にジグザグ流路を形成するように複数の邪魔板３２０が配置されている。更に、本実施形態において、流路形成部材３１０は、精製器本体３０１内の下側（下流側）に配置されるものほど低背とされる。従って、冷却室３１５の高さ（精製器本体３１０の軸方向における冷却室３１５の寸法）は、精製器本体３０１内の下端（出口３２４）に近づくにつれて小さくなる。
【００３９】
精製器本体３０１の下部３０３の内壁面と、内管３０７の外壁面との間には、下部３０３の上端付近に位置するように多孔板（銅製金網）３２１が配置されている。この多孔板３２１の下方には、所定間隔を隔てて多孔板（銅製金網）３２２が配置されている。多孔板３２２と下部３０３の支持部３０３ｂとの間には、空間３２３が画成され、空間３２３には、出口管（流体出口）３２４が接続されている。
【００４０】
そして、多孔板３２１と多孔板３２２との間の空間には、多数の微小球体（微小粒体）が高密度に充填されている。これにより、精製器本体３０１の出口側（最下流側）に、流体の流通を許容すると共に当該流体と十分に接触可能な多孔性捕捉部３２５が形成される。本実施形態では、多孔性捕捉部３２５の上側のおよそ３分の１の領域に、直径２ｍｍの銅球が充填されており、多孔性捕捉部３２５の中央のおよそ３分の１の領域に、直径１ｍｍの銅球が充填されており、多孔性捕捉部３２５の下側のおよそ３分の１の領域に、直径０．５ｍｍの銅球が充填されている。すなわち、本実施形態では、微小球体のサイズが流体の流れ方向に沿って段階的に変化させられている。なお、多孔性捕捉部３２５には、微小球体（微小粒体）の代わりに、折り畳まれたメッシュ材が配置されてもよい。
【００４１】
上述の精製器３０では、導入管３０６の入口（流体入口）３０６ａにデュワー３から回収されたおよそ３００Ｋのヘリウムガスが導入される。ヘリウムガスは、導入管３０６の内部を上昇し、導入管３０６の上端から流出する。導入管３０６の上端から流出したヘリウムガスは、複数の流路形成部材３１０によって導入管３０６の周囲に画成されている蛇行流路（各冷却室３１５）に流入する。
【００４２】
最上段の冷却室３１５に流れ込んだヘリウムガスは、当該冷却室３１５の内壁（側壁３１４の内周面）に沿って流通し、開口部３１１を介して下方の冷却室３１５へと流れ込む。そして、ヘリウムガスは、順次下方の冷却室３１５へと流下していく。この際、各流路形成部材３１０は、精製器本体３０１を介してＧＭ冷凍機２２によっておよそ４０Ｋに冷却されているので、ヘリウムガスは、流路形成部材３１０の天井部３１２、側壁３１４、仕切板３１９、邪魔板３２０と接触し、均一に冷却される。
【００４３】
このように、精製器３０では、精製器本体３０１の内部に上述の複数の冷却室３１５が上述のように配設されているので、精製器本体３０１におけるヘリウムガスの流路をより一層長くし、各冷却室３１５の壁面等とヘリウムガスとが接触する確立を高めることができる。また、冷却室３１５の高さを精製器本体３０１の出口に近づくにつれて小さくすることにより、ヘリウムガスを均一に冷却して、精製器３０の閉塞を良好に抑制することが可能となる。
【００４４】
最下段の冷却室３１５を流出したヘリウムガスは、多孔板３２１を介して多孔性捕捉部３２５に流入する。上述のように、多孔性捕捉部３２５は、高密度に集合させられた多数の銅製の微小球体を含み、これらの微小球体は、精製器本体３０１を介してＧＭ冷凍機２２によっておよそ４０Ｋに冷却されている。従って、ヘリウムガスが多孔性捕捉部３２５の多数の微小球体同士の間に形成された微小な隙間を通過する際に、ヘリウムガス中の不純物は、微小球体を介して冷却されて固化し、微小な隙間に確実に捕捉されることになる。この結果、精製器３０によれば、デュワー３から回収されるヘリウムガス中の窒素や酸素といった不純物を冷却・固化させて確実に捕捉することが可能となる。
【００４５】
また、本実施形態のように、微小球体のサイズをヘリウムガスの流れ方向に沿って段階的に減少させることにより、ヘリウムガス中の不純物を確実に捕捉して、不純物が精製器３０から排出されてしまうことを確実に抑制することができる。更に、精製器本体３０１は、その入口３０６ａから多孔性捕捉部３２５の入口（多孔板３２２）までの間に蛇行流路を含むので、入口３０６ａから多孔性捕捉部３２５までの距離をできるだけ長くすることができる。これにより、多孔性捕捉部３２５の前段において、不純物をできるだけ捕捉すると共にヘリウムガスの温度を低下させておくことが可能となる。
【００４６】
（逆止弁）
上述の精製器３０の出口管３２４に接続される逆止弁５０は、従来の逆止弁が動作し得なかった例えばおよそ４〜４０Ｋの極低温環境下で使用され得るものである。図６に示されるように、逆止弁５０は、弁本体５０１と、弁本体５０１の内部に移動自在に収容された弁体５０２とを有する。弁本体５０１は、下側半部５０３および上側半部５０４を含む。下側半部５０３および上側半部５０４は、何れも高い熱伝導性を有する銅材により概ね筒状に形成されている。また、本実施形態において、弁体５０２は、セラミック等の軽量かつ剛性の高い素材により球状に形成されている。
【００４７】
下側半部５０３は、下端側に弁体５０２の直径よりも小さな内径を有する弁入口５０５を含むと共に、上端側に弁入口５０５（弁体５０２の直径）よりも大きな内径を有する腔部５０６を含む。そして、下側半部５０３の内部には、弁入口５０５と腔部５０６との間に、テーパ面５０７が形成されている。テーパ面５０７は、下から上に向かって拡げられており、このテーパ面５０７によって弁体５０２が受けられる。上側半部５０４は、上端側に弁出口５０８を含むと共に、下端側に弁体５０２の弁出口５０８への移動を規制する突起５０９を含む。突起５０９には、下側半部５０３の腔部５０６（弁入口５０５）と、上側半部５０４の弁出口５０８とを連通させる開口部５１０が形成されている。
【００４８】
この逆止弁５０は、好ましくは、弁入口５０５が下に、弁出口５０８が上に位置する状態で使用される。精製器３０から弁入口５０５にヘリウムガスが流れ込むと、軽量の弁体５０２は、ヘリウムガスによって弁出口５０８に向けて移動させられ、それにより、弁入口５０５が開放されることになる。そして、弁入口５０５から腔部５０６に流れ込んだヘリウムガスは、突起５０９の開口部５１０を介して弁出口５０８へと流れていく。また、弁体５０２の弁出口５０８への移動は、突起５０９の先端により規制される。一方、弁入口５０５に対するヘリウムガスの供給を停止させたり、弁入口５０５の圧力を弁出口５０８の圧力よりも小さく設定したりすると、弁体５０２は、弁入口５０５に向かって移動する。そして、弁体５０２は、テーパ面５０７と係合し、弁入口５０５を閉鎖することになる。
【００４９】
このように、弁体５０２は、弁入口５０５と弁出口５０８との間の圧力差に応じて弁入口５０５を開放または閉鎖するように移動する。従って、逆止弁５０では、弁入口５０５と弁出口５０８との間に圧力差を生じさせるだけで、弁入口５０５を開放または閉鎖することができる。このような単純な構造を有しているため、逆止弁５０は、４〜４０Ｋの低温環境下においても極めて確実に作動する。なお、弁体５０２は、球状に形成される代わりに、テーパ面５０７に係合する錐体として形成されてもよい。
【００５０】
（精製器からの不純物の除去処理）
上述のヘリウム再液化装置２０が稼動されていくと、上述の精製器３０の多孔性捕捉部３２５等が固化した窒素や酸素といった不純物によって閉塞してしまうおそれがある。精製器３０の多孔性捕捉部３２５等が閉塞してしまうおそれがある。そして、精製器３０が閉塞を起こし始めた際には、圧力センサＰ２，Ｐ３によって検出される精製器３０の入口におけるヘリウムガスの圧力が所定の閾値を上回る。このため、ヘリウム再液化装置２０のコントローラは、例えば圧力センサＰ２の検出値が上記閾値を上回った際には、電磁弁ＥＶ２およびバルブＶ５を開放させると共に、排気ポンプ２５を作動させる。また、コントローラは、適切なタイミングで冷凍機２２を停止させ、第１冷却管Ｌ３に接続された精製器３０の加熱ヒータＨを作動させる。
【００５１】
精製器３０の加熱ヒータＨが作動されると、当該精製器３０の多孔性捕捉部３２５や、蛇行流路内に捕捉されている不純物が加熱されて気化する。また、排気ポンプ２５が作動されると、逆止弁５０の弁入口５０５が弁出口５０８よりも低圧になるので、弁体５０２は弁入口５０５を閉鎖するように移動する。これにより、精製器３０内で気化した不純物が逆止弁５０の下流側に流出するのを阻止することができる。そして、精製器３０内で気化した不純物は、排気ポンプ２５によって吸引されて外部に排出される。この結果、ヘリウム再液化装置２０では、不純物の下流側への流出を確実に抑制しながら、精製器３０から確実に不純物を除去することが可能となる。
【００５２】
なお、第２冷却管Ｌ５に接続された精製器３０から不純物を除去する際には、電磁弁ＥＶ３およびバルブＶ５を開放させると共に、排気ポンプ２５を作動させ、更に、当該精製器３０の加熱ヒータＨを作動させればよい。また、高温回収管Ｌ１には、図２に示されるように、中途に電磁弁ＥＶ５を有するヘリウム排出管が接続されており、上述の精製器３０からの不純物の除去処理に際しては、電磁弁ＥＶ５が開放され、デュワー３内で気化したヘリウムガスは、ヘリウム排出管を介して大気中に排出される。
【００５３】
（凝縮器）
凝縮器４０は、図７に示されるように、チャンバ４０２を有する凝縮器本体４０１と、多数の孔４０４を有する多孔性ブロック４０３（図７および図８参照）と、取付板４０５とを有する。凝縮器本体４０１、多孔性ブロック４０３および取付板４０５は、何れも、高い熱伝導性を有する銅材により形成されている。多孔性ブロック４０３の孔４０４は、それぞれ下方にのみ開口しており、多孔性ブロック４０３の上部は、取付板４０５の裏面中央部に固定される。同様に、凝縮器本体４０１の上端（開放端）も取付板４０５の裏面中央部に固定され、多孔性ブロック４０３はチャンバ４０２内に収容される。この際、多孔性ブロック４０３の下端面とチャンバ４０２の底面との間には空間が画成される。更に、凝縮器本体４０１の下部（チャンバ４０２の下方）には、チャンバ４０２に連なる液溜め部４０６が形成されている。
【００５４】
取付板４０５の両端部は、それぞれＧＭ冷凍機２２の第２冷凍部２２ｂに接続され、これにより、ヘリウム再液化装置２０の稼動中、凝縮器本体４０１、多孔性ブロック４０３および取付板４０５は、ＧＭ冷凍機２２によっておよそ４Ｋに冷却される。また、凝縮器本体４０１には、デュワー３から低温（およそ４〜１０Ｋ）のヘリウムガスを回収するための低温回収管Ｌ６がチャンバ４０２の上部と連通するように接続される。更に、凝縮器本体４０１には、第１冷却管Ｌ３がチャンバ４０２の下部と連通するように接続される。そして、凝縮器本体４０１には、再液化されたヘリウムをデュワー３へと返送するための返送管Ｌ７が接続される。
【００５５】
上述の凝縮器４０では、凝縮器本体４０１のチャンバ４０２内に第１冷却管Ｌ３および低温回収管Ｌ６を介して低温（およそ４〜１０Ｋ）のヘリウムガスが導入される。かかるヘリウムガスは、チャンバ４０２内において、多孔性ブロック４０３の孔４０４内に流入し、多孔性ブロック４０３等と熱交換することにより、再液化し、孔４０４からチャンバ４０２の底部へと滴下する。そして、再液化されたヘリウムは、返送管Ｌ７を介して適量ずつデュワー３に返送され、余剰のヘリウムは、液溜め部４０６内に貯留される。この際、ヘリウムガス中になお窒素や酸素といった不純物が残留していたとしても、不純物は、チャンバ４０２内でヘリウムと同様に冷却されて固化し、重力により液溜め部４０６の底に溜まっていくことになる。これにより、凝縮器４０によれば、精製器３０にて完全に処理しきれなかった窒素や酸素といった不純物を確実に捕捉可能となる。
【００５６】
ところで、上述のように、患者の姿勢に合わせて磁気シールド室ＳＲ内のデュワー３が移動させられた際、収容室ＡＲ内のコールドチャンバ２３や容器２６もデュワー３の姿勢に合うように移動（傾斜）させられる。本実施形態では、ヘリウム再液化装置２０が移動（傾斜）させられると、容器２６内の凝縮器４０は、図９の矢印方向に傾いていく。
【００５７】
このため、本実施形態において、凝縮器４０（取付板４０５）は、図９からわかるように、同図における矢印方向に微小角度θ（例えば２〜３°程度）だけ傾けた状態で２台のＧＭ冷凍機２２に連結されている。また、固化した不純物を液体ヘリウムと共に貯留する液溜め部４０６は、凝縮器４０（容器２６）の回動中心（シャフト８等）から最も遠くなるように凝縮器本体４０１に設けられている。そして、凝縮器本体４０１と返送管Ｌ７との接続部は、液溜め部４０６に形成される液面ＬＬのうち、凝縮器本体４０１を傾斜させても変位しない位置（図８の液面ＬＬの中心）の延長線上に配置される。これにより、凝縮器本体４０１が傾斜させられたとしても、デュワー３へと返送される液化ヘリウムに不純物が混入するのを確実に抑制することが可能となる。
【００５８】
なお、本発明は、その思想や主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形態においても実施され得る。そのため、上述の実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明によるヘリウム再液化装置を含む計測システムの一例を示す部分断面図である。
【図２】本発明によるヘリウム再液化装置の系統図である。
【図３】図２のヘリウム再液化装置に含まれる精製器を示す断面図である。
【図４】図３におけるIV−IV線についての断面図である。
【図５】図３におけるＶ−Ｖ線についての断面図である。
【図６】図２のヘリウム再液化装置に含まれる逆止弁を示す断面図である。
【図７】図２のヘリウム再液化装置に含まれる凝縮器の正面図である。
【図８】図７におけるVIII−VIII線についての断面図である。
【図９】図７の凝縮器の側面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  生体磁気計測システム
２０  ヘリウム再液化装置
２２  ＧＭ冷凍機
３０  精製器
３２５  多孔性捕捉部
４０  凝縮器
５０  逆止弁
【図１】
2005291628.tif 000003
【図２】
2005291628.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005291628.tif 000007
【図６】
2005291628.tif 000008
【図７】
2005291628.tif 000009
【図８】
2005291628.tif 000010
【図９】
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