(57)【要約】【課題】輻射シールド等から超電導磁石への熱の侵入量を低減し、超電導磁石が小型でありながら強磁場化が可能な極低温冷却装置を実現する。【解決手段】超電導磁石１が配置された液体ヘリウム槽４内を、冷却するヘリウム槽冷却系（５〜１１等）と、第１及び第２のシールド板１５及び１６を冷却するシールド冷却系（１７、２８、３２、１９、２１、３１、５２等）とを別個独立に設け、熱シールド板１５及び１６とヘリウム槽冷却系との接触を、挿入孔３８により回避し、超電導磁石１への熱侵入が充分に抑制されている。このため、超電導磁石１の温度を、従来に比べ、例えば、約１．２Ｋ低下させることができるので、超電導電流値を数十％アップできる。したがって、従来技術と同一の電流値を得る場合は、超電導磁石の巻き線長を数十％短くでき、超電導磁石を小型化し、軽量化できる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、この真空容器内に配置される熱シールド手段と、被冷却体が内部に収容され、上記熱シールド手段により外部からの熱の侵入が抑制される被冷却体収容容器と、上記被冷却体を極低温に冷却するための冷却手段とを有する極低温冷却装置において、
上記熱シールド手段は、上記被冷却体収容容器の外部側に配置される第１の熱シールド手段と、この第１の熱シールド手段の内部側であり、上記被冷却体の外部側に配置される第２の熱シールド手段とを有し、
上記冷却手段は、上記被冷却体収容容器内に収容された被冷却体を冷却する第１の冷却手段と、上記第１の熱シールド手段及び第２の熱シールド手段を冷却する第２の冷却手段とを有し、
上記第１の冷却手段は、上記被冷却体収容容器内に配置される冷却部と、上記真空容器の外部に配置される放熱部と、上記冷却部と放熱部との連結部とを有し、
上記連結部を上記真空容器内に導入する真空断熱形成部と、
上記連結部を上記真空断熱部から上記被冷却体収容容器内に導入する冷却媒体空間形成部と、
を備えることを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の極低温冷却装置において、上記第２の冷却手段は、上記真空容器内に配置される冷却部と、上記真空容器の外部に配置される冷却媒体圧縮部と、上記第２の冷却手段の冷却部により冷却された冷却媒体が循環される熱交換器とを備え、上記熱交換器により上記第１の熱シールド手段及び第２の熱シールド手段が冷却されることを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項３】
請求項２記載の極低温冷却装置において、上記第２の冷却手段は、２つの冷却媒体圧縮部と、２つの上記冷却部とを備え、２つの圧縮手段が、それぞれ、上記真空容器内に配置される２つの冷却部に接続されることを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項４】
請求項２記載の極低温冷却装置において、上記第２の冷却手段は、冷却媒体圧縮部の運転周波数を制御する周波数制御手段と、２つの上記冷却部とを備え、上記圧縮手段に、上記真空容器内に配置される冷却部が接続されることを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項５】
請求項３記載の極低温冷却装置において、上記真空容器は主真空容器と付設真空容器とからなり、上記第２の冷却手段の２つの上記冷却部のうちの一方が上記付設真空容器に配置され、この付設真空容器内と主真空容器内とを接続する真空断熱移送菅を備えることを特徴とする極低温装置。
【請求項６】
請求項２記載の極低温冷却装置において、上記第１の冷却手段の冷却媒体は、ヘリウムであり、上記被冷却体収容容器の内部と上記真空容器の外部とを連通し、ヘリウムを上記被冷却体収容容器から真空容器の外部への排気及び上記被冷却体収容容器内にヘリウムを注入する注入排気手段と、この注入排気手段を介して大気圧を超える圧力のヘリウムガスを大気に排出する第１の安全弁と、この第１安全弁の背圧側に大気圧を超えるヘリウムガスを保持するヘリウムガス保持空間形成部と、上記ヘリウムガス保持空間内の大気圧を超える圧力のヘリウムガスを大気に排出する第２の安全弁とを備えることを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項７】
真空容器と、この真空容器内に配置される熱シールド手段と、被冷却体が内部に収容され、上記熱シールド手段により外部からの熱の侵入が抑制される被冷却体収容容器と、上記被冷却体を極低温に冷却するための冷却手段とを有する極低温冷却装置において、
上記熱シールド手段は、上記被冷却体収容容器の外部側に配置される第１の熱シールド手段と、この第１の熱シールド手段の内部側であり、上記被冷却体の外部側に配置される第２の熱シールド手段とを有し、
上記冷却手段は、上記第１の熱シールド手段及び第２の熱シールド手段を冷却することを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項８】
請求項７記載の極低温冷却装置において、上記冷却手段は、２つの冷却媒体圧縮部と、２つの冷却部とを備え、２つの圧縮手段が、それぞれ、上記真空容器内に配置される２つの冷却部に接続されることを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項９】
請求項８記載の極低温冷却装置において、上記真空容器は主真空容器と付設真空容器とからなり、上記冷却手段の２つの上記冷却部のうちの一方が上記付設真空容器に配置され、この付設真空容器内と主真空容器内とを接続する真空断熱移送菅を備えることを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項１０】
請求項９記載の極低温冷却装置において、上記真空容器内であって、上記第１の熱シールド手段の外部側に配置される第３の熱シールド手段と、この第３の熱シールド手段を冷却する第３の冷却手段とを備えることを特徴とする極低温冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温冷却装置に係り、特に超電導磁石等を極低温に冷却する極低温冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁石等を極低温に冷却する極低温冷却装置の一例として、特許文献１に記載されたものがある。
【０００３】
この特許文献１に記載された極低温装置は、真空容器内に第１の輻射シールドが設けられ、この第１の輻射シード内に第２の輻射シールドが設けられている。そして、この第２の輻射シールド内に、液体ヘリウムが収容された容器が設けられ、液体ヘリウムにより超電導磁石が極適温に冷却される。
【０００４】
そして、第１、第２の輻射シールドは、ギホードマクマホンサイクル冷凍機により冷却され、液体ヘリウムが収容された容器内は、ジュールトムソンループの凝縮熱交換器により冷却される。また、ジュールトムソンループは、上記冷凍機とは別個に設けられた予冷用冷凍機（ギホードマクマホンサイクル冷凍機）により予冷される構成となっている。
【０００５】
【特許文献１】特公平７−６６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、超電導磁石システムを有する、例えば、核磁気共鳴画像装置では、より鮮明な画像を得るため超電導磁石の強磁場化が望まれているが、従来技術において、強磁場化を実現するためには超電導磁石を大型化する必要がある。
【０００７】
これは、従来技術にあっては、予冷用冷凍機により予冷される構成となっているため、輻射シールド等からの熱がジュールトムソンループを介して液体ヘリウム容器内に侵入し、超電導磁石のこれ以上の温度低下が困難であるからである。
【０００８】
また、超電導磁石が大型化すると、磁石表面積が増加し、磁石を真空空間内で覆い侵入熱から保護する輻射熱シールド板の面積も増加し、超電導磁石等の被冷却物の支持体も大型化し、常温の真空断熱容器からの輻射熱や伝導熱が増加する。
【０００９】
この輻射熱や伝導熱が増加することにより、冷凍機の熱負荷が増加して冷却温度が上昇し、これに伴い超電導磁石温度が上昇する。そして、この温度上昇のために、超電導磁石に通電できる電流が少なくなり、所定の磁場を発生させるためには超電導線の巻数を増加させる必要が生じてしまう。
【００１０】
そこで、磁石を直接または間接的に冷却する冷凍機の台数を増加し、冷凍機の総冷凍量を増やして磁石の冷却温度を現状の例えば、４．２Ｋより低下させることが考えられる。
【００１１】
しかしながら、冷凍機の台数を増加させることは、輻射シールド等から超電導磁石への熱の侵入量も増加することとなる。これは、冷却可能容積を大としたり、一定温度までの冷却速度を増加することはできても、冷却温度を、現状の４．２Ｋより低下させることは困難である。
【００１２】
このため、強磁場化を図るためには、超電導磁石を大型化しなければならず、製造コストが増加するという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、輻射シールド等から超電導磁石への熱の侵入量を低減し、超電導磁石が小型でありながら強磁場化が可能な極低温冷却装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、上記目的は、真空断熱容器内の被冷却体である、例えば超電導磁石の周りの真空空間に、第１の熱シールド手段及び第２の熱シールド手段を配置し、超電導磁石を第１の極低温冷凍機で冷却し、第１の熱シールド手段及び第２の熱シールド手段を第２の極低温冷凍機で冷却し、第１の熱シールド手段及び第２の熱シールド手段と第１の極低温冷凍機とのの接触を、真空断熱形成部と、冷却媒体空間形成部とにより回避し、第１及び第２の熱シールド手段から第１の極低温冷凍機を介しての被冷却媒体への熱侵入が充分に抑制される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、、輻射シールド等から超電導磁石への熱の侵入量を低減し、超電導磁石が小型でありながら強磁場化が可能な極低温冷却装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態である極低温冷却装置について、図１、図２を参照して説明する。  
図１において、スプリット型の超電導磁石（被冷却体）１は、例えば、ニオブ−チタン系、ニオブ−錫系、ニオブ−アルミニュウム系等の超電導材の導体が巻き付けられている。また、超電導磁石１は、例えば、銅、アルミニュウム合金、ステンレス鋼、エポキシ樹脂系の材料で製作した磁気力支持体２に固定される。そして、超電導磁石１、磁気力支持体２は、液体ヘリウム等の液化ガス３を貯留する液体ヘリウム槽４（被冷却体収容容器）内に内蔵される。
【００１７】
液体ヘリウム槽４内で蒸発したヘリウムガスは、再凝縮器５により、液体ヘリウム槽４内の気相部で再凝縮されるため、定常運転状態では液体ヘリウム３の減少はない。再凝縮器５は、銅、アルミニュウム等の熱伝導体で作製され、液体ヘリウム３の温度よりさらに低い温度に冷却される。
【００１８】
再凝縮器５の少なくともその一端は、２温度レベルの寒冷を発生する例えばギフォード・マクマホン型のヘリウム冷凍機６の第２冷却ステージ７に熱的に一体化される。ここで、第２冷却ステージ７は、再凝縮器５に熱的に一体化されるが、熱シールド板等を冷却する等の機能は有さず、これらから熱負荷が印加されることはない。これにより、液体ヘリウム槽４内の超電導磁石１を冷却する温度の極低温化を図っている。これら第２冷却ステージ７及び再凝縮器５により第１の冷却手段の冷却部が構成される。
【００１９】
ヘリウム冷凍機６では、圧縮機ユニット８で作動冷媒のヘリウムガスが加圧され、圧縮熱は大気に排熱され、高圧配管９を通り、冷凍機６内に導入される。冷凍機６内で高圧のヘリウムガスは断熱膨張し、第１冷却ステージ１０、第２冷却ステージ７でそれぞれ温度６０Ｋおよび３Ｋの寒冷を発生する。膨張後の低圧ヘリウムガスは、低圧配管１１を通り、圧縮機ユニット（第１の冷却手段の放熱部）８に戻る。上記第１の冷却手段の放熱部と、第１冷却手段の冷却部とは連結部１００により連結され、、連結部１００は真空断熱形成部１０１により真空容１２内に導入され、挿入孔３８を形成するヘリウムガス空間形成部（冷却媒体空間形成部）１０２により液体ヘリウム槽４内に導入される。
【００２０】
ここで、第１冷却ステージ１０及び第２冷却ステージ７は、熱シールド板等を冷却する等の機能は有していないため、これら第１、第２ステージ１０、７を介して熱シールド板等から超電導磁石へ侵入する熱量が低減されている。これにより、第２冷却ステージ７で３Ｋの寒冷を発生することが可能となっている。
【００２１】
液体ヘリウム槽４は、真空容器１２内に設置されており、真空断熱され真空容器１２により、荷重支持体１３、１４を介して支えられている。これら荷重支持体１３、１４は、熱伝導率が小さなチタン合金や、ステンレスやガラスクロス入りエポキシ樹脂性の材料で作製される。
【００２２】
常温の真空容器１２内面から液体ヘリウム槽４に侵入する輻射熱をシールドするために、真空容器１２の内壁側から第１の７０Ｋ熱シールド板１５、第２の６K熱シールド板１６で液体ヘリウム槽４の外周が覆われている。つまり、第２のシールド板１６で液体ヘリウム槽４の外周が覆われ、第１のシールド板１５で第２のシールド板１６の外周が覆われている。
【００２３】
熱シールド板１５、１６を冷却するシールド冷凍機１７が、真空容器４と真空空間が連通した付設真空容器１８内に設置される。そして、シールド冷凍機１７の寒冷を７０Ｋ熱シールド板１５、６K熱シールド板１６まで移送するヘリウムガス等の熱シールド冷媒を循環する冷媒循環システムが設けられている。
【００２４】
冷媒循環システムは、熱シールド冷媒を圧送する熱シールド冷媒用の圧縮機１９、加圧された熱シールド冷媒の高圧配管２０、第１熱交換器２１、第１熱交換器２１で冷却された温度約５６Kの熱シールド冷媒を移送する配管２２、７０Ｋ熱交換器２３とを備えている。
【００２５】
ここで、図２に示すように、７０Ｋ熱交換器２３は、熱シールド板１５と熱的に一体化された配管２２と半田付け等で熱的に一体化した接合部で構成されている。
【００２６】
冷媒循環システムは、７０Ｋ熱交換器２３と同様に構成された、７０Ｋ熱交換器２４、７０Ｋ熱交換器２５、ヘリウム冷凍機６の第１冷却ステージ１０の寒冷で間接的冷却される熱交換器２６ｂ、７０Ｋ熱交換器２７を備える。
【００２７】
また、冷媒循環システムは、７０Ｋ熱交換器２７の出口に導通した配管２２、シールド冷凍機１７の第１冷却ステージ２８に熱的に一体化された第１冷却ステージ熱交換器２９、第１冷却ステージ熱交換器２９に連通した配管３０、第２熱交換器３１、シールド冷凍機１７の第２冷却ステージ３２に熱的に一体化された第２冷却ステージ熱交換器３３、第２冷却ステージ熱交換器３３に連通した配管３４、６K熱シールド板１６と熱的に一体化された６K熱交換器３５、６K熱交換器３６、６K熱交換器３７を備える。
【００２８】
さらに、冷媒循環システムは、ヘリウム冷凍機６の挿入孔３８の一部を冷却する挿入孔熱交換器３９、６K熱交換器４０、６K熱交換器４０と第２熱交換器３１を連通する戻り配管４１、第２熱交換器３１と第１熱交換器２１を連通する戻り配管４２、圧縮機１９の戻り配管となる低圧配管４３を備える。
【００２９】
ヘリウム冷凍機６の第１冷却ステージ１０の寒冷で間接的に冷却される熱交換器２６ｂは、ヘリウム冷凍機６の第１冷却ステージ１０に熱的に良好に接触した例えば熱良導体の銅やアルミニュウム等の材料で製作されたフランジ２６ａの外周に熱的に一体化される。
【００３０】
このフランジ２６ａは、挿入孔３８の室温上部とヘリウム槽４側の下端部との間に気密性を有して第１冷却ステージ１０と一体化され、挿入孔３８の内側はヘリウムガス空間、外側は真空断熱部となっている。挿入孔３８は、ヘリウム槽４と一体的に形成された筒状部材により形成され、第２冷却ステージ７と上記筒状部材とは非接触となるように、挿入孔３８の内径が設定されている。
【００３１】
これにより、第２冷却ステージ７、第１冷却ステージ１０とステージ７との連通部分が、第１の熱シールド板１５及び第２の熱シールド板１６とが接触し、熱の移動が充分に抑制される。
【００３２】
次に、７０Ｋ熱シールド板１５および６K熱シールド板１６の冷却方法を以下に説明する。
【００３３】
圧縮機１９で加圧された熱シールド板１５及び１６を冷却するための冷媒であるヘリウムガスは、高圧配管２０を通り第１熱交換器２１に流入し、ここで熱シールド板１５、１６冷却後の低温の戻りヘリウムガスと熱交換し、温度約５６Kに冷却される。
【００３４】
第１熱交換器２１で冷却されたヘリウムガスは、配管２２を通り、７０Ｋ熱交換器２３を介して７０Ｋ熱シールド板１５を冷却する。７０Ｋ熱交換器２３をでたヘリウムガスは引き続き７０Ｋ熱交換器２４、７０Ｋ熱交換器２５に流入し、近傍の７０Ｋ熱シールド板１５を冷却する。
【００３５】
そして、ヘリウムガスは、熱交換器２５で温度が約７０Ｋに上昇した後、ヘリウム冷凍機６の第１冷却ステージ１０の寒冷で冷却された銅製やアルミニュウム製のフランジ２６aに熱的に一体化された熱交換器２６bに流入し、ここでヘリウムガス温度は再び約５０Ｋに冷却される。
【００３６】
ヘリウムガスは、熱交換器２６ｂを通過した後、配管２２を通り、７０Ｋ熱交換器２７を介して温度が約７０Ｋに上昇する。約７０Ｋに上昇したヘリウムガスは配管２２を通り、第１冷却ステージ熱交換器２９において、シールド冷凍機１７の第１冷却ステージ２８の寒冷により温度約５０Ｋに冷却される。
【００３７】
その後、ヘリウムガスは、配管３０を通り第２熱交換器３１に流入し、６K熱シールド板１６の冷却後の戻りヘリウムガスと熱交換して温度約７Ｋに冷却される。その後、ヘリウムガスは、第２冷却ステージ熱交換器３３に流入し、シールド冷凍機１７の第２冷却ステージ３２で温度約４Ｋに冷却される。
【００３８】
その後、温度約４Ｋのヘリウムガスは、配管３４を通り６K熱交換器３５に流入し、６K熱交換器３５を介して６K熱シールド板１６を極低温に冷却する。その後、６K熱交換器３６、６K熱交換器３７、ヘリウム冷凍機６の挿入孔３８の一部を冷却する挿入孔熱交換器３９、６K熱交換器４０に順次流入し、６K熱シールド板１６を平均温度で約６Kに冷却する。
【００３９】
６K熱交換器４０の出口で温度約６Ｋに上昇したヘリウムガスは、戻り配管４１を通り第２熱交換器３１に流入し、冷却用のヘリウムガスを冷却する。第２熱交換器３１から流出したヘリウムガスは、戻り配管４２を通り、第１熱交換器２１に流入する。この第１熱交換器２１に流入したヘリウムガスは、熱交換された後ほぼ常温となって低圧配管４３に流入し、圧縮機１９に戻る。
【００４０】
この冷媒循環サイクルでは、作動冷媒のヘリウムガスは気体のままであり、相変化は伴わない。
【００４１】
このため、冷媒ガスの顕熱を冷却に使用するしかなく、寒冷発生効率は小さく、例えば、寒冷発生温度８０Ｋにおける第１ステージ２８では、圧縮機投入電力の約３％の寒冷しか発生できない。すなわち、寒冷発生温度８０Ｋで５０Ｗの熱を吸収冷却するための必要圧縮機電力は１７００Ｗも必要となる。
【００４２】
シールド冷凍機１７の第２冷却ステージ３２の周りは、一端を第１冷却ステージ２８に熱的に一体化されたシールド板４４で囲まれている。また、配管２２、３４の低温部分の周りには積層断熱材４５を全面に巻きつけている。また、荷重支持体１３、１４、液体ヘリウム注入・排気口４６は、７０Ｋ熱シールド板１５と６Kシールド板１６との接触部において熱的に一体化されて冷却されている。
【００４３】
本発明の第１の実施形態によれば、液体ヘリウム槽４に、常温である外部から輻射熱および伝導伝熱で侵入する熱は、７０Ｋ熱シールド板１５および６K熱シールド板１６でほとんどが吸収廃熱される。
【００４４】
したがって、液体ヘリウム槽４への熱侵入は６K熱シールド板１６からの熱侵入であり、数十ミリワットの熱侵入に抑えられる。
【００４５】
液体ヘリウム注入・排気口４６から液体ヘリウムに大気圧下の液体ヘリウムを注入する場合、注入する液体ヘリウムの温度は、４．２Ｋ程度である。
【００４６】
ここで、注入・排気口４６から真空ポンプ４７でヘリウムの蒸発ガスを排気すると、注入する液体ヘリウムの温度は低下する。液体ヘリウムの温度が２．７Ｋになったところで排気を停止し、配管４８に設けた排気弁４９を閉める。シールド用循環冷却システムの運転により、ヘリウム槽４には数十ミリワットの熱侵入に抑えられているので、ヘリウム冷凍機の冷凍特性に従い、温度約３Ｋで定常状態となる。
【００４７】
したがって、超電導磁石は温度３Ｋの超電導状態に安定に冷却維持される。ここで、液体ヘリウム３は負圧の飽和状態となる。
【００４８】
真空容器１２、１８内は、真空排気ポート５０から、真空ポンプ５１で排気し、真空断熱する。また、シールド冷凍機１７では、圧縮機ユニット５２で作動冷媒のヘリウムガスが加圧され、圧縮熱は大気に排熱され、高圧配管５３を通り、冷凍機１７内に導入される。膨張後の低圧ヘリウムガスは、低圧配管５４を通り、圧縮機ユニット５２に戻る。
【００４９】
以上のように、本発明の第１の実施形態においては、超電導磁石１が配置された液体ヘリウム槽４内を、冷却するヘリウム槽冷却系（５〜１１等）と、第１及び第２のシールド板１５及び１６を冷却するシールド冷却系（１７、２８、３２、１９、２１、３１、５２等）とを別個独立に設け、熱シールド板１５及び１６とヘリウム槽冷却系との接触を、挿入孔３８により回避し、超電導磁石１への熱侵入が充分に抑制されている。
【００５０】
このため、超電導磁石１の温度を、従来に比べ、例えば、約１．２Ｋ低下させることができるので、超電導電流値を数十％アップできる。したがって、従来技術と同一の電流値を得る場合は、超電導磁石の巻き線長を数十％短くできる。
【００５１】
したがって、本発明の第１の実施形態によれば、超電導磁石を小型化し、軽量化できるので、製造コストを低減でき、軽量化により床強度が小さい建物の２階への設置が可能となり、設置自由度を増すことができるという効果がある。
【００５２】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態である極低温冷却装置の概略構成図である。この第２の実施形態と、図１に示した第１の実施形態との異なる点は、シールド冷却系に周波数制御装置５５、５６等が付加され、圧縮機１９が削除されているところである。
【００５３】
つまり、本発明の第２の実施形態のシールド冷凍機１７では、運転周波数制御装置５５で、運転周波数を図１での運転状態の例えば５０Ｈｚから７０Ｈｚに増加させる。それに伴い圧縮機ユニット５２の回転数を約１．４倍増加させ、ヘリウムガスの吐出量を同様に約１．４倍増加させ、その一部のヘリウムガスを、図１の圧縮機１９の代用として使用し、圧縮機１９を削除している。
【００５４】
シールド冷凍機１７の膨張運転周波数は、運転周波数制御装置５６で制御され、図１の運転状態を維持する、例えば５０Ｈｚの周波数を維持する。圧縮機ユニット５２の高圧配管５３に配管５７が導通され、この配管５７は圧力調整弁５８を介して配管２０と連通する。また、戻り配管４３は流量調整弁５９を介して、戻り配管５４と導通している。
【００５５】
圧縮機１９の流量分を圧縮機ユニット５２の増量分で賄うことで、所定の圧力、流量を圧力調整弁５８および流量調整弁５９を調整して制御することにより、圧縮機１９を削除しても所定の冷却効果を発生できる。
【００５６】
したがって、本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる他、圧縮機１９を削除することで装置コストの低減および圧縮機１９のメンテナンス維持コストを低減できる効果がある。
【００５７】
また、熱シールド冷媒の流量調整弁５９を圧力調整弁５８の下流側に配置することにより、配管５３の圧力以下の圧力で常に安定的に同じ圧力で熱シールド冷媒を供給することができる。
【００５８】
したがって、冷媒を、比熱の安定した熱物性で供給できるので、圧力調整弁無しの場合と比較すると、より安定的に熱シールド板１５、１６を冷却でき、それに伴いヘリウム槽４への熱侵入量を数十ミリワットに安定的に抑えられ、超電導磁石１は温度３Ｋの超電導状態で安定に維持される。
【００５９】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態である極低温冷却装置の概略構成図である。この第３の実施形態と、図１に示した第１の実施形態との異なる点は、真空容器１２と真空容器１８とを互いに離間し、真空断熱の移送管６０で断熱的に接続した点にある。
【００６０】
この第３の実施形態では、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる他、循環冷媒冷却用のシールド用冷凍機１７を移送菅６０により超電導磁石１から離して設置できるので、シールド用冷凍機１７の運転振動を超電導磁石１に伝播することを防止することができる。本発明の第３の実施形態を核磁気共鳴装置に適用すれば、核磁気共鳴装置のシールド用冷凍機１７による振動、電磁ノイズを防止し、安定な画像を得ることができる効果がある。
【００６１】
この第３の実施形態の場合、第１熱交換器２１、第２熱交換器３１は、磁石１側の真空容器１２内に設置される。したがって、圧縮機１９からの配管２０、４３は、真空容器１２を貫通する。
【００６２】
また、配管２２、３０、３４は、真空断熱されたベロー移送管６０内に配置される。したがって、シールド用冷凍機１７の真空容器１８を小さくし、この真空容器１８を容器１２とは別個の部屋へ設置することがより容易にできる効果が生じる。
【００６３】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態である極低温冷却装置の要部概略構成図である。この第４の実施形態と、図１に示した第１の実施形態との異なる点は、液体ヘリウム注入・排気口４６に排気迂回配管６１を設け、バネ６２と可動弁６３、弁座６４、バネ固定座６５、ケース６６、フランジ６７、６８、通気口６９、７０、シール用Ｏリング７１で構成される安全弁７２、安全弁７３、安全弁７４を複数個設けた点にある。第４の実施形態の、その他の構成は、図１に示した実施形態と同様であるので、その図示及び詳細な説明は省略する。
【００６４】
図５において、バネ６２、７５、７６の強さはそれぞれ異なり、差圧で作動し弁座６４内部側のガスが排気される差圧の大きさはそれぞれ異なるように設定される。バネ６２を配置する安全弁７２が最も小さい差圧で作動し、バネ７５を配置する安全弁７４がその次に小さい差圧で作動し、バネ７６を配置する安全弁７３が最も大きい位差圧で作動する。安全弁７３の排気出口は大気である。
【００６５】
液体ヘリウム注入・排気口４６に排気迂回配管６１を介して通じる容器７７内は、液体ヘリウム槽４内の液体ヘリウム３の温度が３Ｋに冷却されると圧力は０．０３MPaの負圧となり、安全弁７２で大気の空気を吸い込まないようにしている。安全弁７２の背圧側が大気の空気である場合、シール用のＯリング７１から空気が容器７７内に漏れ込む可能性があり、漏れ込むと液体ヘリウム注入・排気口４６に入り込み、極低温部で固化して閉塞するトラブルが生じる。
【００６６】
したがって、安全弁７２の背圧側の空間７８に大気空間に置かれたヘリウムガス供給装置７９から圧力調整弁８０を介して配管８１から容器８２内に圧力０．０１１MPaのヘリウムガスを注入する。
【００６７】
これにより、シール用のＯリング７１から容器７７内に漏れ込むのはヘリウムガスであり、液体ヘリウム注入・排気口４６にはヘリウムが入り込み、極低温部で固化して閉塞するトラブルは無くなる効果がある。
【００６８】
空間７８は安全弁７３で大気に通じるが、常に配管８３を通じて圧力計８４で圧力を監視し、圧力０．０１１MPaから低下すると、制御部（図示せず）により自動的にヘリウムガス供給装置７９から空間７８にヘリウムガスが充填される。安全弁７３は大気との差圧が０．０１２MPaを超えると作動し、空間７８が異常に圧力が上昇する事を防止する。
【００６９】
本発明の第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる他、空間７８をヘリウムガスで大気圧よりも圧力が僅かに高い値に維持できる。これにより、内部が負圧の液体ヘリウム注入・排気口４６には、安全弁７４、７２を介してヘリウムが入り込むため、空気が漏れこみ極低温部で固化して閉塞するトラブルを完全に防止できる効果がある。
【００７０】
（第５の実施形態）
図６は、本発明の第５の実施形態である極低温冷却装置の概略構成図である。この第５の実施形態と、図４に示した第３の実施形態との異なる点は、図４に示した第３の実施形態から、ヘリウム冷凍機６、第１冷却ステージ１０、第２冷却ステージ７、再凝縮器５等からなるヘリウム槽冷却系取り除き、挿入孔３８も形成されていない点である。
【００７１】
液体ヘリウム３の蒸発量ガスは、液体ヘリウム注入・排気口４６から配管４８、逆止弁８５を通じて大気に排出される。液体ヘリウム槽４への熱侵入は、６K熱シールド板１６で極端に少なくなっており、この６Ｋシールド板１６から液体ヘリウム槽４への熱侵入量は少なく、液体ヘリウム３の蒸発量ガスも極端に少なくなっている。
【００７２】
このため、蒸発ガスが、液体ヘリウム注入・排気口４６から配管４８を通じて大気に排出される時の配管４８内のガス流動による圧力損失も極めて小さく、液体ヘリウム槽４内の圧力は、限りなく大気圧に等しくなる。
【００７３】
したがって、超電導磁石の温度は安定して４．２Kであり、従来の４．６Kに比べて０．３K低くなり、超電導電流値を数％アップできる。
【００７４】
また、従来技術と同一の電流値を得る場合は、超電導磁石の巻き線長を数％短くでき、このため磁石が小型化し、軽量化できるので、製造コストを低減でき、軽量化により床強度が小さい建物の２階への設置が可能となり、設置自由度が増す効果がある。
【００７５】
（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６の実施形態である極低温冷却装置の概略構成図である。この第６の実施形態と、図６に示した第５の実施形態との異なる点は、７０Ｋ熱シールド板１５の外側に更に２５０Ｋ熱シールド板８６を配置し、この２５０Ｋ熱シールド板８６を真空容器１２の外部に配置した冷却機８７により冷却する構造とした点である。
【００７６】
冷却機８７は、例えば、液体アンモニア等の沸騰、凝縮の相変化を伴う冷媒を断熱された配管８８、８９で真空容器１２内に供給、回収し、熱交換器９０で２５０Ｋ熱シールド板８６を冷却する。
【００７７】
冷凍機８７、２５０Ｋ熱シールド板８６により、７０Ｋ熱シールド板１５への熱侵入量は数十％低減し、それに従いヘリウム冷凍機１７の第１冷却ステージ２８の熱負荷も低減し、第１冷却ステージ２８の温度が更に低下する。
【００７８】
これによって、７０Ｋ熱シールド板１５の温度が低下し、６K熱シールド板１６への熱負荷が低下し、６K熱シールド板１６の温度が更に低下する。
【００７９】
したがって、液体ヘリウム槽４への熱侵入が更に少なくなり、液体ヘリウム３の蒸発量ガスも更に少なくなる。そして、蒸発量ガスが液体ヘリウム注入・排気口４６から配管４８を通じて大気に排出される時の配管４８内のガス流動による圧力損失も更に小さくなり、液体ヘリウム槽４内の圧力は、更に大気圧との差が無くなる。
【００８０】
よって、図６に示した例に比較して、超電導に励磁する電流値を更にアップでき、磁石をより小型化できる効果がある。
【００８１】
なお、図7においては、図示の都合上、２５０Ｋ熱シールド板８６は、熱シールド板１５を包囲していないように見えるが、２５０Ｋ熱シールド板８６は、熱シールド板１５を包囲するものである。
【００８２】
また、図６、図７に示した本発明の第５及び第６の実施形態においては、真空容器１２と付設真空容器１８とは、真空断熱移送菅６０で互いに接続する構成としたが、この真空断熱移送菅６０を省略し、図１、図３に示した例のように、真空容器１２と付設真空容器１８とを一体とすることも可能である。
【００８３】
また、被冷却体である超電導磁石１は、冷凍機６により冷却媒体であるヘリウムを介して冷却されているが、冷却媒体を介さずに直接冷凍機６により冷却することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１の実施形態である極低温冷却装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態において、７０Ｋ熱シールド板と、配管と、７０Ｋ熱交換器との構成の模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態である極低温冷却装置の概略構成図である。
【図４】本発明の第３の実施形態である極低温冷却装置の概略構成図である。
【図５】本発明の第４の実施形態である極低温冷却装置の要部概略構成図である。
【図６】本発明の第５の実施形態である極低温冷却装置の概略構成図である。
【図７】本発明の第６の実施形態である極低温冷却装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８５】
１                超電導磁石
４                液体ヘリウム槽
５                再凝縮器
６                ヘリウム冷凍機
８                圧縮器ユニット
１５              ７０Ｋ熱シールド板
１６              ６K熱シールド板
１７              シールド冷凍機
１９、５２        圧縮器
４６              液体ヘリウム注入・排気口
５５、５６        運転周波数制御装置
６０              真空断熱移送菅
７２、７３、７４  安全弁
７９              ヘリウムガス供給装置
８６              ２５０Ｋ熱シールド板
８７              冷却機
１００            連結部
１０１            真空断熱形成部
１０２            ヘリウムガス空間形成部
【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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