(57)【要約】【課題】真空断熱層を有する極低温容器において、真空引きを不要とする。【解決手段】内部に極低温環境が形成される内側容器１１と、内側容器１１の外側に間隔を空けて設けられる外側容器１２と、内側容器１１と外側容器１２との間に形成される真空断熱層１３と、を備える極低温容器１０において、複数の突起部１４ｂを有するフィン１４が、内側容器１１と熱的に接続された状態で、真空断熱層１３に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に極低温環境が形成される内側容器と、
前記内側容器の外側に間隔を空けて設けられる外側容器と、
前記内側容器と前記外側容器との間に形成される真空断熱層と、
を備える極低温容器において、
複数の突起部を有するフィンが、前記内側容器と熱的に接続された状態で、前記真空断熱層に設けられていることを特徴とする極低温容器。
【請求項２】
前記フィンの材料は４Ｋの温度において熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋよりも大きい請求項１に記載の極低温容器。
【請求項３】
前記フィンの表面に多孔質材が設けられている請求項１または２に記載の極低温容器。
【請求項４】
前記内側容器と前記外側容器との間に断熱材が設けられており、前記フィンは前記断熱材よりも外側に配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の極低温容器。
【請求項５】
冷凍機によって前記極低温環境が形成される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の極低温容器において、
前記冷凍機の冷却ステージが前記内側容器に熱的に接続されている極低温容器。
【請求項６】
液体冷媒を前記内側容器に注入することで前記極低温環境が形成される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の極低温容器において、
前記内側容器の下部に前記フィンが熱的に接続されている極低温容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空断熱層を有する極低温容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置等に用いられる超電導マグネットを保冷するための極低温容器が開示されている。この極低温容器は、液体ヘリウム等の冷媒が注入される冷媒容器と、その外側に配置される真空容器との間に、真空断熱層が形成された構成となっている。このような真空断熱層を設けることで、外部から冷媒容器内に熱が侵入することを抑え、冷媒容器内を極低温環境に維持することが可能となっている。
【０００３】
このような極低温容器の製造現場では、容器本体の製造後に真空引きにより真空断熱層が形成され、その後、液体ヘリウム等の冷媒が冷媒容器に注入される。こうすることで、真空断熱層に面している冷媒容器の壁面に、真空断熱層に放出されるガスが吸着し、真空ポンプを取り外しても、真空断熱層内の真空状態が維持されるようになっている。つまり、極低温容器の製造に際しては、冷媒を入れる前に真空断熱層の真空引きを行う必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１８２２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、極低温容器を客先等に運搬する際には、一旦容器から冷媒を抜き、容器を室温状態に戻すことがある。このような場合には、客先において、再度冷媒を入れる前に真空引きを行う必要が生じる。また、極低温容器に超電導マグネットが収容されたＭＲＩ装置の分野では、四肢の診断に特化した小型のＭＲＩ装置が登場しており、このような小型の装置では超電導マグネットの熱容量が小さくなるため、製造現場で冷却しても、客先等への運搬中に極低温状態が解消されてしまうおそれがある。このため、客先で冷却および真空引きが行われるのが一般的となっている。
【０００６】
このように、昨今、製造現場ではなく客先等において真空引きを行うケースが増えているが、客先で真空ポンプ等の器具の準備が必要となると、客先の負担が増大するという問題がある。また、客先が真空引きの作業に不慣れな場合、真空ポンプや真空バルブの操作を誤ることによって、トラブルが発生するおそれもある。特に、近年、冷媒を使用しない冷凍機冷却式の超電導マグネットが製造販売されるようになっており、冷媒の扱いに慣れていない分野でも極低温容器が使用されるようになってきており、上述のような懸念が増大する傾向にある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、真空断熱層を有する極低温容器において、真空引きを不要とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、内部に極低温環境が形成される内側容器と、前記内側容器の外側に間隔を空けて設けられる外側容器と、前記内側容器と前記外側容器との間に形成される真空断熱層と、を備える極低温容器において、複数の突起部を有するフィンが、前記内側容器と熱的に接続された状態で、前記真空断熱層に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、複数の突起部を有するフィンが、内側容器と熱的に接続された状態で、真空断熱層に設けられるという特徴を有する。内部に極低温環境が形成される内側容器は、冷却の際に最初に温度が低下し始める部位であるから、内側容器に熱的に接続されたフィンも冷却初期に温度が低下する。このため、真空断熱層内の気体を速やかにフィンに吸着させることができ、真空断熱層の真空度を高めることができる。しかも、フィンに設けられた複数の突起部によって、吸着面積を広くとることができるようになっているので、効果的に真空断熱層の真空度を高めることが可能である。したがって、本発明によれば、真空引きを行わなくとも、真空断熱層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態にかかる極低温容器の模式断面図である。
【図２】真空断熱層に設けられるフィンの拡大図である。
【図３】第２実施形態にかかる極低温容器の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[第１実施形態]
本発明にかかる極低温容器の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態にかかる極低温容器の模式断面図である。第１実施形態の極低温容器１０は、超電導マグネット９１を臨界温度以下の極低温に維持するための保冷容器として機能し、例えば医療用のＭＲＩ装置等に適用することができる。極低温容器１０は、内部に極低温環境が形成され、超電導マグネット９１を収容する熱シールド容器（内側容器）１１と、熱シールド容器１１の外側に間隔を空けて設けられる真空容器（外側容器）１２とを有して構成される。熱シールド容器１１は例えば無酸素銅からなり、真空容器１２は例えばステンレスからなる。
【００１２】
熱シールド容器１１と真空容器１２との間の空間が真空状態にされることで、熱シールド容器１１と真空容器１２との間に真空断熱層１３が形成される。真空断熱層１３が設けられることにより、熱シールド容器１１内の極低温環境に外部から熱が侵入することを抑えることが可能となっている。真空断熱層１３は、従来、真空ポンプで真空引きを行うことにより形成されていたが、本発明においては、真空断熱層１３にフィン１４を設けることにより、真空引きを行わなくとも、真空度の高い真空断熱層１３が形成できるようにしている。
【００１３】
フィン１４は、例えばアルミニウムや銅等の熱伝導率の高い材料で構成されており、基端面１４ａから板状の突起部１４ｂが一定間隔で複数立設された形状を有する。フィン１４は、熱シールド容器１１と熱的に接続されるように、その基端面１４ａが熱シールド容器１１の外側表面に当接する形態で取り付けられている。本実施形態では、熱シールド容器１１の周面および底面に複数のフィン１４が取り付けられているが、フィン１４を取り付ける位置や個数は適宜変更が可能である。フィン１４の表面には、図２に示すように、活性炭やモルキュラーシーブ等の粒状の多孔質材１４ｃが塗布されており、フィン１４の実質的な表面積が大きくなるようにしている。
【００１４】
極低温容器１０は、液体冷媒を用いるのではなく、極低温容器１０に取り付けられた冷凍機９２によって、熱シールド容器１１内に極低温環境が形成されるよう構成されている。冷凍機９２は、第１冷却ステージ９２ａと、第１冷却ステージ９２ａよりも運転温度の低い第２冷却ステージ９２ｂとを有する。第１冷却ステージ９２ａは、熱シールド容器１１に熱伝導可能に接続されており、第２冷却ステージ９２ｂは、冷却バス９３を介して超電導マグネット９１に熱伝導可能に接続されている。
【００１５】
冷凍機９２を作動させると、最初に温度が低下し始める第１冷却ステージ９２ａに熱的に接続された熱シールド容器１１が冷却される。その結果、熱シールド容器１１に熱的に接続されているフィン１４の温度も冷却初期に低下する。ここで、固体の表面原子には、その周囲にある気体分子を引き付けようとする性質（ガス吸着性）があり、この特性は固体の温度が低いほど強くなる。したがって、フィン１４の温度が冷却初期に低下することによって、真空断熱層１３内の気体を速やかに吸着することができ、真空断熱層１３の圧力を約１×１０-5[Ｔｏｒｒ]まで低下させることができる。
【００１６】
（効果）
本実施形態によれば、内部に極低温環境が形成される熱シールド容器（内側容器）１１は、冷却の際に最初に温度が低下し始める部位であるから、熱シールド容器１１に熱的に接続されたフィン１４も冷却初期に温度が低下する。このため、真空断熱層１３内の気体を速やかにフィン１４に吸着させることができ、真空断熱層１３の真空度を高めることができる。しかも、フィン１４に設けられた複数の突起部１４ｂによって、吸着面積を広くとることができるようになっているので、効果的に真空断熱層１３の真空度を高めることが可能である。したがって、本実施形態によれば、真空引きを行わなくとも、真空断熱層１３を形成することができる。
【００１７】
また、本実施形態では、フィン１４の材料として、４Ｋの温度において熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋよりも大きいもの、例えばアルミニウムまたは銅が採用されている。このため、熱シールド容器１１の冷熱によってフィン１４をより速やかに冷却させることができ、吸着効果をより高めることができる。
【００１８】
また、本実施形態では、フィン１４の表面に多孔質材１４ｃが設けられているので、フィン１４の吸着面積をさらに拡大させることができ、真空断熱層１３の真空度をより効果的に高めることが可能となる。
【００１９】
また、本実施形態では、冷凍機９２の第１冷却ステージ９２ａが熱シールド容器１１に熱的に接続されている。このように、最初に温度が低下し始める第１冷却ステージ９２ａに熱シールド容器１１を熱的に接続することで、熱シールド容器１１の冷却を速めることができ、さらには熱シールド容器１１に熱的に接続されたフィン１４の冷却を速めることができる。その結果、真空断熱層１３内の気体をより速やかにフィン１４に吸着させることが可能となる。
【００２０】
[第２実施形態]
本発明にかかる極低温容器の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態にかかる極低温容器の模式断面図である。第２実施形態の極低温容器２０は、第１実施形態と同様に、超電導マグネット９４を臨界温度以下の極低温に維持するための保冷容器として機能し、例えば医療用のＭＲＩ装置等に適用することができる。ただし、本実施形態の極低温容器２０は、第１実施形態と異なり、冷凍機を用いるのではなく、液体ヘリウム等の液体冷媒によって極低温環境が形成されるように構成されている。なお、第１実施形態と共通する構成およびそれによって奏される効果については、適宜説明を省略する。
【００２１】
極低温容器２０は、内部に極低温環境が形成され、超電導マグネット９４を収容する冷媒容器（内側容器）２１と、冷媒容器２１の外側に間隔を空けて設けられる熱シールド容器２２と、熱シールド容器２２のさらに外側に間隔を空けて設けられる真空容器（外側容器）２３とを有して構成される。冷媒容器２１は例えばステンレスからなり、熱シールド容器２２は例えばアルミニウムからなり、真空容器２３は例えばステンレスからなる。
【００２２】
いずれの容器２１〜２３も軸方向に直交する断面がドーナツ形状であり、これによって、極低温容器２０の中央部には軸方向に貫通する内部空間２４が形成されている。極低温容器２０は、内部空間２４の軸方向が略水平となるように配置され、内部空間２４内に被験者の診断部位を入れることによって、当該診断部位のＭＲＩ撮影を行うことができる。
【００２３】
冷媒容器２１と真空容器２３との間の空間が真空状態にされることで、冷媒容器２１と真空容器２３との間に真空断熱層２５が形成される。また、熱シールド容器２２と真空容器２３との間には、冷媒容器２１内の極低温環境に輻射熱が侵入することを抑制するための多層断熱材２６が設けられている。この多層断熱材２６は、例えば内部に複数の空気層を有するシート状のものであり、熱シールド容器２２の外周面および軸方向の両端面を覆うように取り付けられている。
【００２４】
多層断熱材２６と真空容器２３との間の空間には、複数のフィン２７が配置されている。フィン２７は、接続部材２８を介して、冷媒容器２１の下部に熱伝導可能に接続されている。接続部材２８は、例えばアルミニウムや銅等の熱伝導率の高い材料（フィン２７と同じ材料が好ましい）からなっており、冷媒容器２１から良好に冷熱をフィン２７に伝えることができるようになっている。
【００２５】
極低温容器２０の上部には、液体冷媒を冷媒容器２１に注入（または排出）するための注入口２９が設けられており、注入口２９の先端には、注入口２９を閉塞するための蓋３０が取り付けられる。
【００２６】
極低温容器２０を用いて超電導マグネット９４の冷却を行う手順について説明する。まず、冷媒容器２１に液体窒素（−１９６℃）を注入口２９から注入し、冷媒容器２１を予冷する。この予冷段階において、フィン２７に真空断熱層２５内の気体が吸着することで、真空断熱層２５の圧力が約１×１０-5[Ｔｏｒｒ]まで低下し、断熱効果を高めることができる。予冷が終わると、液体窒素を注入口２９から排出し、代わって液体ヘリウム（−２６９℃）を注入口２９に注入することによって、超電導マグネット９４を臨界温度以下まで冷却する。
【００２７】
このように、最初からより低温な液体ヘリウムを冷媒容器２１に注入するのではなく、液体窒素によって予冷を行うことで、液体ヘリウムの注入時には、冷媒容器２１が冷却されているだけでなく、すでに真空断熱層２５の真空度が十分に高まっている。このため、液体ヘリウムの注入時には、真空断熱層２５が十分な断熱機能を有していることになる。また、高価な液体ヘリウムの使用量を削減することができるので、コスト面でも有利である。
【００２８】
（効果）
本実施形態の極低温容器２０は、第１実施形態の極低温容器１０と共通する効果に加え、次のような効果も奏する。
【００２９】
本実施形態では、冷媒容器２１と真空容器２３との間に多層断熱材２６が設けられており、フィン２７は多層断熱材２６よりも外側に配置されている。このため、多層断熱材２６よりも外側の真空度を確実に高めることができ、外部から熱が極低温容器２０の内部の深いところまで侵入することをより効果的に抑制することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、冷媒容器２１の下部にフィン２７が熱的に接続されている。冷媒容器２１に液体冷媒を注入すると、冷媒容器２１の下部から液体冷媒が満たされていくため、冷媒容器２１の下部が最初に冷却される。したがって、冷媒容器２１の下部にフィン２７を熱的に接続することによって、冷却初期にフィン２７の温度を低下させることができ、真空断熱層２５の真空度をより迅速に高めることができる。
【００３１】
[その他の実施形態]
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記各実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。
【００３２】
例えば、上記各実施形態においては、極低温容器１０、２０が超電導マグネットを保冷する容器であるものとして説明を行ったが、超電導マグネット以外をのものを被冷却物とすることも可能である。また、内部に形成される極低温環境の温度は、被冷却物に応じて、適宜変更してもよいことは言うまでもない。
【００３３】
また、上記第２実施形態においては、冷媒容器２１と真空容器２３との間に、熱シールド容器２２や多層断熱材２６を設けるものとしたが、熱シールド容器２２や多層断熱材２６を省略することも可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０    極低温容器
１１    熱シールド容器（内側容器）
１２    真空容器（外側容器）
１３    真空断熱層
１４    フィン
１４ａ  基端面
１４ｂ  突起部
１４ｃ  多孔質材
２０    極低温容器
２１    冷媒容器（内側容器）
２２    熱シールド容器
２３    真空容器（外側容器）
２５    真空断熱層
２６    多層断熱材（断熱材）
２７    フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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