クライオゲン容器に送達される極低温冷凍機の冷却パワーを制御するための方法および装置

【課題】熱遮蔽が全力で冷却されることを可能にし、クライオゲン容器内のガス状クライオゲンに加えられる冷却が制御されることを可能にするクライオゲン容器とこのクライオゲン容器の熱遮蔽との冷却を制御するための方法と装置を提供する。
【解決手段】クライオゲン容器（１）と熱放射遮蔽（２）と極低温冷凍機を収容するためのスリーブ（５）とを備えるクライオスタットを提供する。また冷却のために極低温冷凍機の第１のステージを熱放射遮蔽に熱的かつ機械的に接続するための第１の熱接触部も提供される。極低温冷凍機の第２のステージを収容するための２次再凝縮チャンバ（８）が提供され、またクライオゲン容器の内部に露出された再凝縮面（１１ａ；４４）に２次再凝縮チャンバを熱的に接続するための手段（１０；２４）が提供される。このクライオスタットは更に、２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を制御するための圧力制御装置（１００）を備える。

【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ＭＲＩ（磁気共鳴映像法）システムは、医療診断のために使用される。ＭＲＩ磁石の要件は、これが安定で均質な磁界を与えることである。安定性を達成するために、超電導体を冷却することによって、典型的には液体ヘリウム、液体ネオン、液体水素または液体窒素といった極低温流体内への浸漬によって維持される極めて低い温度で動作する超電導磁石システムを使用することが一般的である。
【０００２】
図１は、英国特許２４１４５３８号明細書で論じられているような冷凍機４を備えた公知のＭＲＩ磁石システムの概略断面を示す。図示の実施形態では円筒形のクライオスタットは、円筒形超電導磁石（図示せず）と液化クライオゲン１６とを含むクライオゲン容器１を備え、真空ジャケット３によって完全に囲まれた１つ以上の熱遮蔽２によって囲まれている。この磁石システムには、熱遮蔽を冷却し、クライオゲンガスを再凝縮させて、液状クライオゲンを管６によってクライオゲン容器１に送り返すために、接合スリーブ５によってクライオゲン再凝縮チャンバ１１に熱的に接合された冷凍機４が取り外し可能に取り付けられる。
【０００３】
図２は、このような装置の熱的接合面を更に詳細に示す。接合スリーブ５の底部は、スリーブを密閉してクライオゲン容器１内のクライオゲン流体およびガスからスリーブを隔離する熱伝導性基部１０で漏れ止め式に終わっている。したがって基部１０は、スリーブ５の壁の一部を形成するばかりでなくクライオゲン容器１の壁の一部を形成する。基部１０はまた、再凝縮チャンバ１１の壁の一部でもある。再凝縮チャンバ１１は、基部１０と熱的に接触している再凝縮器１１ａを取り囲んでおり、ガスクライオゲン注入口／液状クライオゲン排出管６を介してクライオゲン容器１と連通している。冷凍機接合スリーブ５内には２ステージ冷凍機４が配置される。冷凍機４の第１ステージ熱交換部１２ａは、遮蔽２と熱的に接触している。この接触は、図示のように直接行われるか、あるいは柔軟な銅の組み紐といった公知の中間物によって行われる。冷凍機４の第２ステージ７は、冷凍機接合スリーブ５の下部８に位置する。第２ステージ７は、冷凍機によって低温、例えば約４Ｋにまで冷却される冷却ステージ９で終わる。
【０００４】
スリーブ５はクライオゲンガスで満たされる。冷却ステージ９は、基部１０と機械的には接触しない。冷却ステージ９はクライオゲンガスをその液化温度にまで冷却するように動作する。冷却ステージ９は好適には再凝縮熱伝達を改善するために、フィン付き加工される。スリーブ５の下部８は２次再凝縮チャンバとして整えられる。
【０００５】
冷却ステージ９は、スリーブ５内の、また特に２次再凝縮チャンバ８内のガスを液化する。この結果得られた液状クライオゲン１２は、これにしたがってスリーブ５の底部を部分的に満たし、また基部１０における沸騰と冷却ステージ９における再凝縮とによって再凝縮チャンバ１１内のガス状クライオゲンから再凝縮器１１ａと基部１０とを介して２次再凝縮器９に熱を伝達するための熱伝達媒体となる。
【０００６】
基部１０は、好適には高い熱伝導性材料で、典型的には銅で作られ、液体１２と接触している基部の上面１０ａから基部の下面への、また再凝縮器１１ａへの良好な熱伝導を与える。クライオゲン液１２の上面は、再凝縮のために利用可能な表面積を減らし、それによって熱伝達の速度を低下させるので、好適には冷却ステージ９に接触すべきでない。液状クライオゲン１２とそれのガス状の対応物は、冷却ステージ９と基部１０との間の非接触（「再凝縮器」）熱接合を与える。
【０００７】
冷凍機とスリーブとの間の第１ステージ熱交換器１２ａは、適当な場合にスリーブの排出とクライオゲンガスの再充填とクライオゲンガスの放出のためにガスが接合スリーブ５の上部と下部との間を通過できるように、少なくとも１つのガス経路１３を備える。
【０００８】
磁石システムと冷凍機の動作温度への冷却時、あるいは磁石システムと冷凍機が動作温度まで冷却されたとき、更なるクライオゲンガスがポート１４を経由して接合スリーブ５内にゆっくりと導入され得る。ガスは、冷凍機４が適切にガスを冷却して液化できるように、ゆっくり導入される。導入されるガスの量は、適量の液体１２が２次再凝縮チャンバ８内で凝縮するように測定される。
【０００９】
冷凍機が保守作業のために停止されるとき、あるいは冷凍機が意図せずに停止される場合、液状クライオゲン１２は沸騰して蒸発する。これらの状況下でスリーブ内で過剰な圧力が発生するのを防止するために、接合スリーブ５には圧力安全弁１５が取り付けられる。
【００１０】
この接合部は、冷凍機４と再凝縮器１１ａとの間に熱的接続を与える。２次再凝縮チャンバ８内では任意の適当なガス１２が使用され得るが、２次再凝縮チャンバ８内のガス１２の沸点は再凝縮チャンバ１１内のガスの沸点以下であるべきである。同じガスが両再凝縮チャンバ内で使用可能である。もし異なる沸点を有するガスが使用されれば、再凝縮器１１ａの効率を改善するために、熱経路１０に熱抵抗が置かれ得る。チャンバ１１内のガスの再凝縮は、２次再凝縮チャンバ８内の液状クライオゲン１２の沸点が再凝縮チャンバ１１内のクライオゲンの沸点より低い場合にだけ起こる。もし両再凝縮チャンバ内で同じクライオゲンが使用されれば、これは２次再凝縮チャンバ８内のガス状クライオゲンの圧力が再凝縮チャンバ１１内のガス状クライオゲンの圧力より低いことを保証することによって、用意される。
【００１１】
図３は、２重再凝縮熱接合面を使用する異なる装置を示す。この装置は、米国特許出願２００６２０７２６５号明細書と英国特許２４３１４６２号明細書に記載されている。
【００１２】
この装置では図２の再凝縮チャンバ１１は、クライオゲン容器１の内部に露出されたサービスネック２２内の再凝縮面４４への熱経路２４に置き換えられている。冷凍機スリーブ５は、主要クライオゲン容器１から隔離されている。スリーブ５はヘリウムといったクライオゲンで満たされる。冷凍機４は、熱遮蔽２を冷却するために熱リンク４０を介して働く第１ステージ熱交換器３２を備える。冷凍機４はまた、スリーブ内のクライオゲンに露出された第２低温ステージ熱交換器９も備える。動作時にスリーブ内のガス状クライオゲンは、熱交換器９上で液状に再凝縮する。液状クライオゲンは、領域３４における熱経路２４上に滴下する。熱経路２４は液状クライオゲンの温度にまで冷却される。熱は、サービスネック２２から取り除かれて、サービスネック内に露出された再凝縮面４４を２次再凝縮チャンバ８内の液状クライオゲンの温度にまで冷却する。これは、クライオゲン容器１からのボイルオフクライオゲンのサービスネック２２内の再凝縮面４４上での凝縮を引き起こす。この凝縮は、潜熱を熱経路２４に放出する。この熱は、熱経路２４に沿って移動し、２次再凝縮チャンバ８内の液状クライオゲンの沸騰という結果を引き起こす。熱経路２４の領域３４は、フィン付き加工されるか、そうでなければ熱伝達のための表面積を増加させて、しかもこの表面上の液体の自由な流れを可能にするように機械加工または準備される。今度は冷凍機４がこのボイルオフクライオゲンを冷却し、クライオゲン容器１内のボイルオフクライオゲンからの熱の効率的な除去という結果をもたらす。サービスネック内のボイルオフクライオゲンは凝縮して液体になるので、このボリューム内のボイルオフクライオゲンの圧力は減少し、更なるクライオゲン蒸気をサービスネック２２内に引き込んで再凝縮させる。
【００１３】
接合面は、スリーブ５内のクライオゲンが容器１内のクライオゲンより低い沸点を有するように整えられる。これは、スリーブ５内のクライオゲンの沸点に冷却された熱経路２４が表面４４上での再凝縮を引き起こすために十分に低温になるようにするためである。これは、クライオゲン容器１内のガス圧より低いスリーブ５内ガス圧を維持することによって達成される。
【００１４】
通常の動作ではクライオゲン容器１内のクライオゲンガスの圧力は、大気圧より高く維持される。これは、汚染物がクライオゲン容器１に入る傾向を防止する、または少なくとも減らすように意図されている。クライオゲン容器の温度では空気は凍結し、クライオゲン容器に入る如何なる空気も厄介な氷堆積物を形成する。冷凍機４を全力で運転することも通常のことである。これに関する１つの理由は、熱遮蔽２が低温に保持されていてクライオゲン容器１への熱の流入を減らすことを保証することである。しかしながら冷凍機４の全力運転を保持することによって第２ステージ９における冷却は、クライオゲン容器内のガス状クライオゲンの圧力が所望圧力より低く低下し、実に大気圧より低く降下し得るほど効率的にクライオゲン容器１内のガス状クライオゲンを再凝縮させることが見出される可能性がある。これは、クライオゲン容器内の−負のゲージ圧と記述され得る−大気圧より低い圧力が、クライオゲン容器に入って厄介な氷堆積物を形成する空気の傾向を増加させるので、望ましくないことは無論である。あるいくつかの動作のとき、例えば画像形成手順のとき、クライオゲン容器１内に熱が生成され、この熱は冷凍機４を全力で運転することによって除去される必要がある。他のとき、例えばＭＲＩシステムが待機状態にあるときには冷凍機４を少ないパワーで運転すれば十分であり、これは大気圧より高いクライオゲン容器１内の圧力−正のゲージ圧と記述され得る−を維持するという利点を有する。
【００１５】
この問題は、前述の２次再凝縮チャンバを有するクライオスタットにおいて、また再凝縮面が、典型的には冷凍機の第２ステージ熱交換器がクライオゲン容器の内部に露出される他の装置において発生し、またこれは、冷凍機の低温熱交換器が固体熱伝導リンクを介してクライオゲン容器の再凝縮面に熱的にリンクされる他の装置にも当てはまる。
【００１６】
冷凍機自体によって送達される冷却パワーを変えることによってこの問題に取り組もうと試みることができる。しかしながらこのような装置は熱放射遮蔽２を冷却するために利用可能な冷却パワーを低下させる。これは少なくとも、熱放射遮蔽が冷却パワーの中断または低下によって温まれば、熱放射遮蔽がこの遮蔽を再冷却するための比較的長い熱的時定数を有するという理由から望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】英国特許第２４１４５３８号明細書
【特許文献２】米国特許出願第２００６２０７２６５号明細書
【特許文献３】英国特許第２４３１４６２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
冷凍機の第１冷凍ステージが熱放射遮蔽を冷却するために全力で連続運転し得るように、また第２冷凍ステージがクライオゲン容器内のクライオゲンガスの冷却の必要性にしたがって使用可能および使用不能にされ得るように、冷凍機の第１および第２冷凍ステージを切り離すことは、前述の問題に取り組む際に有利である。しかしながら従来の極低温冷凍機は、第２ステージの切り離しを与えるようには整えられていない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、第２冷却ステージ９とクライオゲン容器１との間の熱接合面の有効性の制御を可能にし、熱放射遮蔽２の効果的な冷却を与えるために冷凍機４が常に全力で運転されることを可能にし、更にクライオゲン容器内のガス状クライオゲンの圧力が所望レベルより下に降下しないようにクライオゲン容器１を過冷却する可能性を回避することによって、冷凍機の第２ステージの効果的分離を可能にする。
【００２０】
本発明は、熱遮蔽２が全力で冷却されることを可能にし、更にクライオゲン容器１内のガス状クライオゲンに加えられる冷却が制御されることを可能にする、クライオゲン容器１とこのクライオゲン容器１の熱遮蔽２との冷却を制御するための方法と装置とを提供する。このことの利点は、そうでなければクライオゲン容器１内に望ましくない低い圧力という結果を招く、クライオゲン容器１内のガス状クライオゲンを過冷却するという問題を回避しながら、クライオゲン容器１内への熱流入を制限して、熱放射遮蔽２が効果的に冷却され得ることである。
【００２１】
このようにして本発明は、特許請求の範囲の請求項に記載の装置と方法とを提供する。
【００２２】
本発明の上記および更なる目的と利点と特徴は、付属の図面と関連して単に例として与えられる本発明のいくつかの実施形態の下記説明の考察から、より明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】公知のＭＲＩ磁石システムの概略断面を示す図である。
【図２】図１に示された装置の２重再凝縮熱接合面を示す図である。
【図３】２重再凝縮熱接合面を使用する異なる装置を示す図である。
【図４】図２に示された装置に適用される本発明の実施形態を示す図である。
【図５】図３に示された装置に適用される本発明の実施形態を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図７】従来のＭＲＩシステムに統合される本発明による装置の機能マップを示す図である。
【図８】本発明の一実施形態を使用して行われた実験からの試験データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明によれば、中間ステージ、典型的には第１の冷却ステージの十分な熱結合を維持しながら、制御された熱伝導性によって冷凍機の低温ステージ、典型的には第２の冷却ステージの間の熱結合を変えるための方法が提供される。
【００２５】
好適な実施形態では、図２または図３に示されるような２重再凝縮装置が使用される。しかしながら本発明によれば、冷凍機４の再凝縮面９に露出された２次再凝縮チャンバ８内のガス状クライオゲンの圧力を変えるための装置が準備される。上記に論じられたように、この２重再凝縮装置は、２次再凝縮チャンバ８内の液状クライオゲンの沸点がクライオゲン容器１内のクライオゲンの沸点より低い場合にだけ、クライオゲン容器１内のガス状クライオゲンを再凝縮させるために有効である。２次再凝縮チャンバ８とクライオゲン容器１とで同じクライオゲンが使用される場合には、ガス状クライオゲンの圧力は、より低い沸点を保証するために、クライオゲン容器１内より２次再凝縮チャンバ８内で低くなければならない。
【００２６】
本発明の一態様によれば２次再凝縮チャンバ８内の圧力は、クライオゲン容器の効果的冷却が必要とされるときには冷凍機４とクライオゲン容器１との間に効果的熱接続が与えられるが、クライオゲン容器のより効果的でない冷却が必要とされるときには冷凍機４とクライオゲン容器１との間により効果的でない熱接続が与えられるように、クライオゲン容器１内の検出された圧力にしたがって、あるいはＭＲＩシステムの動作にしたがって変えられる。これは、冷凍機４が熱放射遮蔽２の効果的冷却を保証しながら全力で動作することを可能にするが、クライオゲン容器１内の低い圧力の、おそらくは負のゲージ圧の問題を回避する。
【００２７】
本発明は、２次再凝縮チャンバ８内とクライオゲン容器１内の同じまたは異なるクライオゲンを用いて実施され得る。いくつかの実施形態では、２次再凝縮チャンバ８内のクライオゲンは実際には再凝縮せず、単に冷凍機４によってある一定の温度に冷却される可能性がある。これは、再凝縮面１１ａまたは４４がクライオゲン容器１内のガスを液化するために十分低温である場合に、機能する。再凝縮面１１ａまたは４４は、ガスの沸点自体がクライオゲン容器１内のガスの圧力の関数であるクライオゲン容器１内のガスの沸点より低い温度に冷却されなければならない。例えばクライオゲン容器１は窒素クライオゲンを含むのに、２次再凝縮チャンバ８にはガス状ヘリウムクライオゲンが与えられる可能性がある。ヘリウムは適当な冷凍機によって約７６Ｋの温度に冷却され得るが、２次再凝縮チャンバ８内のヘリウムの圧力は冷凍機４とクライオゲン容器１との間の熱伝導性を変化させるように変えられ得る。このような装置では、固体クライオゲンの堆積を招く可能性があるのでクライオゲン容器１内の再凝縮面を過冷却しないように注意すべきである。
【００２８】
本発明の一態様によれば、冷凍機４によってクライオゲン容器１内に送達される冷却パワーは、２次再凝縮チャンバ８内の圧力を制御することによって制御され得る。このような仕方でクライオゲン容器１内の圧力は制御され得る。２次再凝縮チャンバ８内のガス圧の変化は、第１冷却ステージと機械的リンクによって熱的に結合された熱放射遮蔽との間の熱結合に対して認められるほどの影響を与えない。
【００２９】
２次再凝縮チャンバ８内のクライオゲンガスの圧力を制御することによって、冷凍機４の第２ステージ９とクライオゲン容器１との間の熱伝導性は、最大冷却パワーからゼロ冷却パワーまでの範囲を通して変化し得る。如何なる特定の理論によることなく、前記動作は、圧力が制御される際の２次再凝縮チャンバ８内のガスの熱伝導性の変化に拠ることは明らかである。５Ｋ未満の温度におけるヘリウムガスの密度は、圧力（１５ｐｓｉ（１０３４６６Ｐａ）絶対圧で〜７％／ｐｓｉ（〜１％／ｋＰａ））で急速に変化し、この変化は、１５ｐｓｉ（１０３４６６Ｐａ）絶対圧で約２．５％／ｐｓｉ（〜０．３％／ｋＰａ）という熱伝導性の変化をもたらす。ゼロ冷却パワーは、２次再凝縮チャンバが空になったときにもたらされる。最大冷却パワーは、効果的な再凝縮を与えるために２次再凝縮チャンバ８内の液状クライオゲンの沸点がクライオゲン容器１内のクライオゲンの沸点より十分に低い最高可能圧力に２次再凝縮チャンバ内のガス状クライオゲンがなっているときに、もたらされる。
【００３０】
２次再凝縮チャンバ８内のクライオゲンガスの圧力を変えることによって、ガスの熱伝導性は変えられる。この熱伝導性の変化は、２次冷凍機ステージ９からクライオゲン容器１に露出された再凝縮面に到達する冷却パワーの量に影響を与える。
【００３１】
クライオゲン容器１に到達する低い、またはゼロの冷却パワーによって、クライオゲン容器１内の液状クライオゲンの自然熱流入および結果としてのボイルオフは、クライオゲン容器１内のガス状クライオゲンの圧力が大気圧より高く保持されることを保証する。
【００３２】
図４および図５は、図２および図３に示され、上記に説明された装置が適用された本発明の実施形態を示す。
【００３３】
図４および図５の各々において２次再凝縮チャンバ８は、第１冷却ステージ熱交換器に形成されたガスチャネル１３を介して冷凍機スリーブ５の残り部分と連通している。冷凍機スリーブ５の内部にアクセスする管１０２を介してクライオゲンガスを冷凍機スリーブ５に導入および冷凍機スリーブ５から除去するために、ガス吸気／排気装置１００が設けられている。管１０２は、２個の別々の制御弁１０４、１０６に接続される。好適な実施形態では、これらの弁はソレノイド制御弁であるが、適当であれば他のタイプの制御弁も使用可能である。第１の制御弁１０４は、放出されたクライオゲンガスの回復を含み得る、あるいは大気への単純な通気口となり得る通気装置に通じる。第２の制御弁１０６は、スリーブ５内で必要とされるよりも高い圧力でクライオゲンガスの外部供給源１０８に接続される。クライオゲン容器１内のクライオゲンガスの圧力または温度を測定するためにクライオゲン容器１内にはセンサー１１０が設けられる。このセンサーはコントローラ１１４に接続１１２される。コントローラ１１４は、この目的のために設けられた専用のコントローラであり得るか、あるいはより大きなシステムコントローラの一特徴要素であり得る。コントローラ１１４とセンサー１１０との間の接続１１２は、ワイヤによって適当なアクセスタレットを介してクライオゲン容器に導かれ得る。代替として、関連システムとの干渉を回避するような注意がなされることを条件として、無線通信装置が設けられ得る。
【００３４】
動作時にセンサー１１０は、クライオゲン容器１内のガスの温度または圧力を示す信号をコントローラ１１４に送る。もしセンサーが必要な最小値より低い圧力を示すならば、コントローラ１１４は、通気弁１０４を少しだけ開放することによって応答し得る。これは、スリーブ５内の、したがってまた２次再凝縮チャンバ８内のガスの圧力を引き下げる。その結果、２次再凝縮チャンバ８内のガス状クライオゲンの熱伝導性は低下する。これは、クライオゲン容器１に露出された再凝縮面１１ａ、４４における冷却パワーの低下という結果を生じ、これが今度はクライオゲン容器１内のクライオゲンガスが寄生的熱流入によって、あるいはクライオゲン容器自体の中で生成された熱によって温まることを可能にする。これは、クライオゲン容器１内のクライオゲンガスの温度と圧力とを上昇させる。これはセンサー１１０によって検出される。もしクライオゲン容器１内のガス状クライオゲンの圧力の更なる上昇が必要であれば、コントローラ１１４は再び通気弁１０４を少しだけ開くことによって応答し得る。代替としてコントローラは、２次再凝縮チャンバ８内のガス圧になされた変化が十分であって、更なる変化は必要でないことを決定し得る。
【００３５】
他方、センサー１１０は必要とされる最大値より高い圧力を示す信号をコントローラ１１４に送る可能性もある。この場合、コントローラ１１４は吸気弁１０６を少しだけ開くことによって応答し得る。これは、スリーブ５内の、したがってまた２次再凝縮チャンバ８内のガスの圧力を上昇させる。その結果、２次再凝縮チャンバ８内のクライオゲンガスの熱伝導性は上昇する。これは、クライオゲン容器１に露出された再凝縮面１１ａ、４４における冷却パワーの上昇という結果をもたらし、おそらくクライオゲンガスの液体への再凝縮という結果をもたらす。これは、クライオゲン容器１内のクライオゲンガスの温度と圧力とを降下させる。これはセンサー１１０によって検出される。もしクライオゲン容器内のガス状クライオゲンの圧力の更なる上昇が必要であれば、コントローラ１１４は再び吸気弁１０６を少しだけ開くことによって応答し得る。代替としてコントローラは、２次再凝縮チャンバ内のガス圧になされた変化が十分であって更なる変化は必要ないことを決定し得る。
【００３６】
更なる実施形態では代替として、または更に、関連ＭＲＩシステムの動作に基づいて、あるいは同様に特にクライオゲン容器１内に配置された装置の動作に基づいて、吸気弁１０６または通気弁１０４の制御が行なわれ得る。例えばコントローラ１１４は、ＭＲＩ画像形成サイクルの開始を検出するように接続され得る。このようなサイクル中に、例えば傾斜磁場コイルの動作によってクライオゲン容器内に、ある量の熱が生成されることは普通である。ＭＲＩ画像形成サイクルの開始の検出に応答して本発明の装置は、２次再凝縮チャンバ８内のクライオゲンガスの圧力を上昇させ、それによって２次再凝縮チャンバ８の熱伝導性を上昇させて、この画像形成サイクルの持続時間中、クライオゲン容器１内のクライオゲンガスに対する冷却を強めることができる。これは、クライオゲン容器１内のクライオゲンガスが画像形成サイクル中に十分に冷却されることを保証する。同様にコントローラ１１４は、関連ＭＲＩ画像形成システムが待機モードに入るのを検出するように接続され得る。システムが待機モードにある間は、画像形成は実行されない。クライオゲン容器１への熱の流入は、周囲温度からの寄生熱流入に効果的に限定される。このような状態では、クライオゲン容器１内のガス状クライオゲンを、必要とされる正のゲージ圧に維持するために、低いレベルの冷却で十分である。待機モードの検出に応答して本発明の装置は、２次再凝縮チャンバ８内のガスの圧力を低下させ、２次再凝縮チャンバ８の熱伝導性を減らして、クライオゲン容器１内のクライオゲンガスに対する冷却を弱めることができる。これは、そうでなければ熱放射遮蔽２を冷却するために冷凍機４が全力で運転されることを可能にしながら負のゲージ圧になり得るクライオゲン容器１内のクライオゲンガスが過冷却されないことを保証する。
【００３７】
本発明の一態様によれば、冷凍機の第２ステージによって与えられる冷却は、２次再凝縮チャンバ内のガス圧によって制御されるが、熱放射遮蔽との機械的接触により冷凍機の第１ステージによって与えられる冷却は、２次再凝縮チャンバ内のガス圧によって影響されない。
【００３８】
典型的な通気システムは、ほぼ大気圧でボイルオフ・クライオゲンガスを受け取る。大気への直接の通気は無論、大気圧で行われるが、クライオゲンガス回復装置は典型的にはクライオゲンガス吸気口をほぼ大気圧で動作させる。これは大抵の状況で本発明の動作のために十分に低い圧力であると期待され得るが、もし必要であれば、２次再凝縮チャンバ８内のクライオゲンガスの圧力を大気圧より低く引き下げるために、通気弁１０４に真空ポンプが接続され得る。２次再凝縮チャンバ内のクライオゲンガスの極めて低い大気圧未満の圧力は、２次再凝縮チャンバの極めて低い熱伝導性という結果をもたらし、クライオゲン容器に露出された再凝縮面に送達される低い冷却パワーという結果を生じる。
【００３９】
クライオゲン容器１内における冷却と再凝縮とを制御することによって、クライオゲンの消費は削減または除去され得る。これはそれ自体公知であるクライオゲン回復装置によって回復され得るが、極めて少量のクライオゲンは通気弁１０４を経由する排出によって２次再凝縮チャンバ８内の圧力を変える際に消費され得る。
【００４０】
前述の外部ガス源１０８は、比較的高い圧力の外部ガスボトルであり得る。代替装置では外部ガス源１０８は、スリーブ５内のガスの圧力がクライオゲン容器１内の圧力以下の圧力であるべきであるので、クライオゲン容器１からクライオゲンガスを供給するパイプによって置き換えられ得る。クライオゲン容器１から２次再凝縮チャンバ８にクライオゲンガスを供給するこのような装置によって、ある程度の自己規制が有益に与えられ得る。クライオゲン容器内のガス圧が比較的高いときには、２次再凝縮チャンバの熱伝導性は２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を上昇させることによって高められるべきである。他方、クライオゲン容器内のガス圧が比較的低いときには、２次再凝縮チャンバの熱伝導性は２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を下降させることによって下げられるべきである。
【００４１】
図６は、２次再凝縮チャンバ８と連通しているガス収容ベローズ１２０の容積が機械的駆動装置１２２の動作によって制御されるもう１つの代替装置を示す。動作時にコントローラ１１４は、図４および図５を参照しながら説明されたようにセンサー１１０からデータを受信する。図４および図５に示された実施形態におけるように２次再凝縮チャンバ内の圧力を制御するために吸気弁と通気弁とを制御するよりもむしろ、コントローラ１１４は、機械的駆動装置１２２を制御してベローズの容積を増加または減少させ、それによって２次再凝縮チャンバ８内の圧力をそれぞれ減少または増加させる。
【００４２】
図示の実施形態では機械的駆動装置１２２は、取り付けられたベローズ１２０の容積を適応させるシャフト１２４の直線運動を動作させる歯車駆動部を有するパルスモータを備える。しかしながら他の機械的駆動装置も設けられ得る。このベローズはピストン装置によって置き換えられ得る。シャフトの直線運動は、回転クランクによって駆動されるピストンロッドによって置き換えられ得る。シャフト上で動作する歯車駆動部は、シャフトの表面で動作する回転カムによって置き換えられ得る。
【００４３】
これらの装置のいずれも、コントローラ１１４からの信号によって駆動されるパルスモータによって動作させられ得る。
【００４４】
図７は、従来のＭＲＩシステムに統合された本発明による装置の機能マップを示す。絶対圧力トランスデューサ７０２は、クライオゲン容器１内の絶対圧力を測定する。絶対圧力トランスデューサ７０４は、２次再凝縮チャンバ８内の絶対圧力を測定する。これらの圧力測定値はコントローラ１１４に供給される。大気圧は７０６で表されている。コントローラ１１４は、機械的駆動装置１２２を動作させ、それにしたがってベローズ１２０を駆動する。任意選択的にベローズの位置は、コントローラ１１４によって遠隔記録装置７０８に報告され得る。圧力スイッチ７１４は、クライオゲン容器１内のゲージ圧を、すなわちクライオゲン容器１内の絶対圧力と大気圧７０６との差を圧縮器７１０に表示し、またクライオゲン容器内のゲージ圧の如何なる有意な変化も信号で知らせる。圧縮器７１０は、このような表示に応じて動作周波数またはガス充填またしたがって、送達される冷却パワーが変化するように整えられ得る。しかし、そのような装置は本発明の一部をなさない。
【００４５】
あるいくつかの実施形態では、２次再凝縮チャンバ８内の利用可能な圧力変化がクライオゲン容器に対する冷却パワーの必要な変化範囲のためには不十分であるときに、圧縮器７１０の動作周波数またはガス充填を変えるための対策が行われ得る。例えば２次再凝縮チャンバ８内の利用可能な圧力変化は、ベローズ１２０の変位の両極端によって制限され得る。５０Ｈｚという圧縮器７１０の公称動作周波数を仮定すると、４０Ｈｚから６０Ｈｚの範囲内の圧縮器７１０の動作周波数の変化は、全体として冷凍機４の送達されたパワーの更なる変化を可能にする。コントローラ１１４と圧縮器７１０との間の信号経路７１２は、圧縮器動作周波数のこのような制御を可能にする。圧縮器７１０の動作周波数を変えることによって熱放射遮蔽に送達される冷却パワーが変化することは無論であるが、これは一般的に望ましくない。
【００４６】
本発明の装置の更なる利点は、スリーブ５が出荷のために空にされ、続いて現場到着時にクライオゲンガスで再充填されることを可能にする。動作していないときには冷凍機４は、システムへの主要な熱流入源であり、ボイルオフ速度に大きく寄与する。スリーブへのクライオゲンガスの再充填は、外部ガス源を使用して用意され得る。しかしながら好適には、クライオゲン容器１からスリーブを再充填するために異なる機能において、既存の冷凍機移送ライン／弁（図２の１４）が使用される。出荷のためにスリーブ５を空にすることによって、クライオゲン容器への熱流入は著しく減らされ、クライオゲン・ボイルオフ速度を引き下げ、それによってクライオゲンが沸騰してなくなるまでの、液状クライオゲンによってクライオゲン容器が冷却された状態に保持されている時間の長さを延長する。これは、出荷のために許される時間の長さを延長し、より柔軟な物流処理を可能にすることによって、費用を節約する可能性がある。
【００４７】
図８は、スリーブ５内および２次再凝縮チャンバ８内のヘリウムクライオゲンの圧力が変化させられて、１５．３ｐｓｉ（１０５５００Ｐａ）絶対圧で約４００ｍＷのマージンから始まる再凝縮マージンが測定された本発明の一実施形態を使用して行われた実験からの試験データを示す。
【００４８】
用語「再凝縮マージン（ｒｅｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇｍａｒｇｉｎ）」は、例を参照しながら説明され得る。全体の熱流入とクライオゲン容器１内で生成された熱とが５００ｍＷであることと、２次再凝縮チャンバ８内の高い圧力を用いて冷凍機４が１２００ｍＷの冷却パワーをクライオゲン容器１に送達することとを仮定すると、この状態における再凝縮マージンは７００ｍＷである。送達された冷却パワーは全体の熱流入と生成された熱とを克服するために必要とされる冷却パワーを上回る。この例ではクライオゲン容器内のクライオゲンは７００ｍＷの割合で冷却される。
【００４９】
今度は、２次再凝縮チャンバ８内に中間圧力が存在すると仮定すると、冷凍機４は単に８００ｍＷの冷却パワーをクライオゲン容器１に送達することができる。再凝縮マージンは、今度は３００ｍＷである。クライオゲン容器内のクライオゲンは３００ｍＷの割合で冷却される。最後に、２次再凝縮チャンバ８内に比較的低い圧力が存在すると仮定すると、冷凍機４は単に４００ｍＷの冷却パワーをクライオゲン容器に送達することができる。再凝縮マージンは、今度は−１００ｍＷである。クライオゲン容器内のクライオゲンは１００ｍＷの割合で温まる。
【００５０】
図８のカーブを直線状の応答に近似すると、８０ｍＷ／ｐｓｉ（１１．６ｍＷ／ｋＰａ）という再凝縮マージンの上昇が、あるいは典型的には１ｐｓｉ（６８９７Ｐａ）変化ごとに２０％マージン変化が得られる。この効果は、圧力の関数としてのガスの熱伝導性の変化に起因するものである。５Ｋ未満の温度におけるヘリウムガスの密度は、圧力（１５ｐｓｉ（１０３４６６Ｐａ）絶対圧において〜７％／ｐｓｉ（〜１％／ｋＰａ））で急速に変化し、１５ｐｓｉ（１０３４６６Ｐａ）絶対圧において約２．５％／ｐｓｉ（〜０．３％／ｋＰａ）という熱伝導性の変化につながる。これは、圧力の関数としての再凝縮パワーの測定可能な差という結果をもたらすために十分である。図８のデータから明らかに分かるように、２次再凝縮チャンバ８内の圧力の変化はクライオゲン容器における冷凍機の全再凝縮マージンに大きな制御可能な効果を有する。
【００５１】
本発明は特にＭＲＩ画像形成システムを参照しながら説明されてきたが、本発明は他の可変温度挿入の極低温に冷却される装置にも同様に適用可能である。これらは、温度範囲（４．２Ｋ＜Ｔ＜３００Ｋ）において実験装置を冷却できる研究用クライオスタットである。更に、本発明はクライオゲンとして特にヘリウムを参照しながら説明されてきたが、本発明は水素、ネオンまたは窒素といった他のクライオゲンを使用するシステムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１クライオゲン容器
２熱遮蔽
３真空ジャケット
４冷凍機
５スリーブ
６管
７第２ステージ
８下部または２次再凝縮チャンバ
９冷却ステージ
１０基部
１１再凝縮チャンバ
１１ａ再凝縮器（再凝縮面）
１２液状クライオゲン
１２ａ第１ステージ熱交換器
１３ガス経路
１４ポート
１５圧力安全弁
２２サービスネック
２４熱経路
３２第１ステージ熱交換器
３４領域
４０熱リンク
４４再凝縮面
１００ガス吸気／排気装置（圧力制御装置）
１０２管
１０４通気弁
１０６吸気弁
１０８クライオゲンガスの外部供給源
１１０センサー
１１２接続部
１１４コントローラ
１２０ベローズ
１２２機械的駆動装置
１２４シャフト
７０２絶対圧力トランスデューサ
７０４絶対圧力トランスデューサ
７０６大気圧
７０８遠隔記録装置
７１０圧縮器
７１２信号経路
７１４圧力スイッチ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオゲン容器（１）と、熱放射遮蔽（２）と、極低温冷凍機を収容するためのスリーブ（５）とを備え、冷却のために前記熱放射遮蔽に極低温冷凍機の第１のステージを熱的におよび機械的に接続するための第１の熱接触部と、極低温冷凍機の第２のステージを収容するための２次再凝縮チャンバ（８）と、前記クライオゲン容器の内部に露出された再凝縮面（１１ａ；４４）に前記２次再凝縮チャンバを熱的に接続するための手段（１０；２４）とを備えるクライオスタットであって、
前記クライオスタットは前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を制御するための圧力制御装置（１００）を更に備えることを特徴とするクライオスタット。
【請求項２】
前記圧力制御装置（１００）は、真空から前記クライオゲン容器内のガスの圧力までの範囲内にある圧力の範囲内で、前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を制御するように整えられる、請求項１に記載のクライオスタット。
【請求項３】
前記２次再凝縮チャンバ内のガスは前記クライオゲン容器内のガスと同じガスである、請求項１または請求項２に記載のクライオスタット。
【請求項４】
前記圧力制御装置は、
前記２次再凝縮チャンバ内にガスを導入し、それによって前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を高めるための吸気弁（１０６）と、
前記２次再凝縮チャンバからガスを放出し、それによって前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を引き下げるための通気弁（１０４）と、を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のクライオスタット。
【請求項５】
前記吸気弁（１０６）と前記通気弁（１０４）の動作を制御するように整えられたコントローラ（１１４）を更に備える、請求項４に記載のクライオスタット。
【請求項６】
前記コントローラは前記クライオゲン容器内のガス圧にしたがって前記吸気弁（１０６）と前記通気弁（１０４）の動作を制御するように整えられる、請求項５に記載のクライオスタット。
【請求項７】
前記コントローラは前記クライオゲン容器（１）内に配置された装置の動作状態にしたがって前記吸気弁（１０６）と前記通気弁（１０４）の動作を制御するように整えられる、請求項５に記載のクライオスタット。
【請求項８】
前記吸気弁（１０６）は外部ガス供給源（１０８）からガスを受け取るように接続される、請求項４〜７のいずれか一項に記載のクライオスタット。
【請求項９】
前記吸気弁（１０６）は前記クライオゲン容器（１）からガスを受け取るように接続される、請求項４〜７のいずれか一項に記載のクライオスタット。
【請求項１０】
前記通気弁（１０４）は前記２次再凝縮チャンバ（８）を空にするために真空ポンプに接続される、請求項４〜９のいずれか一項に記載のクライオスタット。
【請求項１１】
前記圧力制御装置は、
前記２次再凝縮チャンバと連通しているベローズ（１２０）を備え、前記ベローズは、前記２次再凝縮チャンバ内にガスを導入し、それによって前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を高めるように、また前記２次再凝縮チャンバからガスを放出し、それによって前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を引き下げるように容積が制御可能である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のクライオスタット。
【請求項１２】
前記ベローズの動作を制御するように整えられたコントローラ（１１４）を更に備える、請求項１１に記載のクライオスタット。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のクライオスタットと前記スリーブ（５）内に収容された極低温冷凍機（４）との組合せ物であって、前記極低温冷凍機は第１の極低温にまで冷却するように動作可能であって前記熱放射遮蔽（２）と熱的におよび機械的に接触している第１のステージ（１２ａ；３２）と、前記第１の極低温より低い第２の極低温にまで冷却するように動作可能であって、前記２次再凝縮チャンバ（８）内のガスを冷却するように動作可能である第２の冷却ステージ（９）と、を有する、クライオスタットと極低温冷凍機との組合せ物。
【請求項１４】
前記第２冷却ステージ（９）と前記クライオゲン容器の内部に露出された前記再凝縮面（１１ａ；４４）との間の熱伝導性は、前記２次再凝縮チャンバ（８）内のガスを介して与えられる、請求項１３に記載の組合せ物。
【請求項１５】
前記極低温冷凍機を全力で動作させながら前記クライオゲン容器（１）に送達される前記極低温冷凍機（４）の冷却パワーを制御するための方法であって、
クライオゲン容器（１）と極低温冷凍機を収容するスリーブ（５）とを備え、第１の熱接触部が冷却のために熱放射遮蔽に前記極低温冷凍機の第１のステージを熱的におよび機械的に接続し、２次再凝縮チャンバ（８）が極低温冷凍機の第２のステージを収容し、そして前記２次再凝縮チャンバが前記クライオゲン容器の内部に露出された再凝縮面（１１ａ；４４）に熱的に接続される（１０；２４）クライオスタットにおいて、
前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を制御するステップ（１００）を備える、方法。
【請求項１６】
前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力は、真空から前記クライオゲン容器内のガスの圧力までの範囲内にある圧力の範囲内で制御される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記２次再凝縮チャンバ内のガスは前記クライオゲン容器内のガスと同じガスである、請求項１５または請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記圧力制御方法は、
前記２次再凝縮チャンバ内にガスを導入し、それによって前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を高めるように、また前記２次再凝縮チャンバからガスを放出し、それによって前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を引き下げるように、前記２次再凝縮チャンバと連通しているベローズ（１２０）の容積を制御するステップを備える、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記圧力制御方法は、
前記２次再凝縮チャンバ内にガスを導入し、それによって前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を高めるように吸気弁（１０６）を動作させるステップと、
前記２次再凝縮チャンバからガスを放出し、それによって前記２次再凝縮チャンバ内のガスの圧力を引き下げるように通気弁（１０４）を動作させるステップと、を備える、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記動作させるステップは、前記吸気弁（１０６）と前記通気弁（１０４）の動作を制御するように整えられたコントローラ（１１４）によって制御される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記クライオゲン容器内のガスの圧力を決定し、前記決定されたガス圧にしたがって前記吸気弁（１０６）と前記通気弁（１０４）の動作を制御するステップを更に備える、請求項１９または請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記クライオゲン容器（１）内に配置された装置の動作状態を決定し、前記決定された動作状態にしたがって前記吸気弁（１０６）と前記通気弁（１０４）の動作を制御するステップを更に備える、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記通気弁（１０４）は、前記２次再凝縮チャンバ（８）を空にするために真空ポンプに接続される、請求項４〜９のいずれか一項に記載のクライオスタットにおける請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の方法。

【図１】