冷凍機
【課題】本発明は、液膜の熱抵抗による凝縮熱伝達特性の悪化を軽減可能な、極低温装置用の冷凍機を提供することを課題とする。
【解決手段】略円筒形の本体部７ａの外周側面に複数のフィン７ｂが形成されてなる熱交換器７が第２ステージ６に熱的に接続されて構成され、超電導磁石に使用されている液体ヘリウムが気化したヘリウムガスを熱交換器７で凝縮するために超電導磁石に取り付けられる冷凍機とする。そして、ヘリウムガスが熱交換器７で凝縮した液体ヘリウムを、複数のフィン７ｂの間に形成される溝部７ｃから空洞部７ｄに流し込むための排出孔７ｅを備えることを特徴とする。
【解決手段】略円筒形の本体部７ａの外周側面に複数のフィン７ｂが形成されてなる熱交換器７が第２ステージ６に熱的に接続されて構成され、超電導磁石に使用されている液体ヘリウムが気化したヘリウムガスを熱交換器７で凝縮するために超電導磁石に取り付けられる冷凍機とする。そして、ヘリウムガスが熱交換器７で凝縮した液体ヘリウムを、複数のフィン７ｂの間に形成される溝部７ｃから空洞部７ｄに流し込むための排出孔７ｅを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導応用装置などの極低温装置に使用される冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩ（magnetic resonance imaging）を利用する装置（以下、ＭＲＩ装置と称する）など超電導を応用した装置は、超電導磁石の超電導コイルを極低温に維持することが必要な極低温装置であり、冷却材として液体ヘリウムが利用される場合がある。
近年のＭＲＩ装置に使用される超電導磁石はヘリウム資源を確保する観点から、気化したヘリウムガスが大気中に放出されることが極めて少なくなるように構成され、２段式ヘリウム冷凍機などを備えて、液体ヘリウムが封入される液溜槽内で気化したヘリウムガスを液化ヘリウムに凝縮するように構成される。
【０００３】
２段式ヘリウム冷凍機は、ヘリウムガスを凝縮するための熱交換器を冷却部に直接取りつけるように構成される。また熱交換器には、表面積を拡大して効率よくヘリウムガスを凝縮するための多数のフィンが備わっている。
そして、ヘリウムガスは液溜槽の上方に溜まることから、２段式ヘリウム冷凍機はＭＲＩ装置の上方に配置されることが好ましい。
【０００４】
一方、ＭＲＩ装置は、小さなスペースにも設置できるように小型化されることが要求される。特に、天井高さが低い場所にも設置できるように構成されることが要求され、高さを低くすることが求められる。
そこで、ＭＲＩ装置の冷凍機として２段式ヘリウム冷凍機が利用される場合、ＭＲＩ装置の上下方向に対して傾斜させて２段式ヘリウム冷凍機を取り付け、上方に高くなることを抑えるように構成されることがある。
【０００５】
しかしながら、このように２段式ヘリウム冷凍機を取り付けると、２段式ヘリウム冷凍機の熱交換器で凝縮した液体ヘリウムが、特に、熱交換器のフィンとフィンの間に溜まり、溜まった液体ヘリウムによって液膜が厚くなる。そして、液膜が厚くなると、液膜の熱抵抗によって熱交換器における凝縮熱伝達特性が悪化し、単位時間当たりの凝縮液量が減少して凝縮されないヘリウムガスが大気中に放出されるため、液体ヘリウムを補給する必要がある。
【０００６】
例えば特許文献１には、フィンに毛細管路を形成し、この毛細管路を通して液滴を落下させ、液滴の表面積拡大によって伝熱性能を改善する技術が開示されている。
しかしながら、比較的凝縮量が少ない場合は液滴の数が少なく、充分に伝熱性能を改善できないという問題がある。また、フィンに毛細管路を形成するため伝熱面積が減少するという問題もある。
したがって、特許文献１に開示される技術を、そのままＭＲＩ装置用の２段式ヘリウム冷凍機に適用することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６１−１０７０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、液膜の熱抵抗による凝縮熱伝達特性の悪化を軽減可能な、極低温装置用の冷凍機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため本発明は、略円筒形の本体部の外周側面に複数のフィンが形成されてなる熱交換器が冷却部に熱的に接続されて構成され、極低温装置に使用されている液体冷媒が気化したガスを前記熱交換器で凝縮するために前記極低温装置に取り付けられる冷凍機とする。そして、前記ガスが前記熱交換器で凝縮した前記液体冷媒を、前記複数のフィンの間の溝部から排除するための排除機構を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、液膜の熱抵抗による凝縮熱伝達特性の悪化を軽減可能な、極低温装置用の冷凍機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る冷凍機が取り付けられる超電導磁石の断面図である。
【図２】熱交換器の構造を示す斜視図である。
【図３】熱交換器の軸線に沿った方向の断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図であって、上下軸に対して傾斜する軸線を法線とする平面を上下軸と平行になるまで傾斜した平面での断面図である。
【図５】設計変更例に係る熱交換器の断面斜視図である。
【図６】上下軸と平行な排出孔の構造を示す、熱交換器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
例えば、図１に示す超電導磁石１００は、超電導コイル３を極低温に維持する必要がある極低温装置であり、ＭＲＩ装置（図示せず）に備わっている。
図１に示すように、超電導磁石１００は、超電導コイル３を内包して液体ヘリウム２（液体冷媒）が封入される液溜槽１が、略円筒形の真空容器１０内に収納されて構成される。
真空容器１０は内部を真空に維持できる密閉容器であり、内壁には積層断熱層９が形成される。さらに積層断熱層９の内側には、真空容器１０に設けられる支持体１１によって熱シールド８が支持されて備わっている。
この構成によって、真空容器１０の内部、つまり、熱シールド８の内側は外気と熱的に遮断される。
【００１３】
支持体１１は熱シールド８を支持するとともに、熱シールド８で覆われた空間内に液溜槽１を吊り下げ支持している。この構成によって、液溜槽１は、真空容器１０、積層断熱層９、および熱シールド８と接することなく真空容器１０内に収納される。
【００１４】
液溜槽１は、中軸部１ａの周囲に形成される気密の槽であり、液溜槽１の内部には液体ヘリウム２が封入される。また、液溜槽１の中軸部１ａの周囲には、液体ヘリウム２に浸漬するように超電導コイル３が巻きつけられる。
【００１５】
そして、超電導磁石１００には、液溜槽１の内部で液体ヘリウム２が気化したヘリウムガスを冷却して凝縮するための冷凍機４が、ヘリウムガスが溜まる液溜槽１の上部に備わっている。
【００１６】
本実施形態に係る冷凍機４は、例えば、冷却部として、第１ステージ５と第２ステージ６を有する２段式ヘリウム冷凍機であり、第２ステージ６には、インジューム箔（図示せず）を介して熱交換器７が熱的に接続されている。
冷凍機４の冷凍性能は、例えば、第１ステージ５の温度が６０Ｋのとき６０Ｗ、第２ステージ６が４Ｋのとき１Ｗ以上となるような性能が好適である。
【００１７】
冷凍機４（２段式ヘリウム冷凍機）は公知のものを使用することができ、その詳細な説明は省略するが、高温側円筒１２の先端部に第１ステージ５が備わり、さらに、高温側円筒１２の先端部から延びるように、第１ステージ５と熱的に連結する低温側円筒１４が備わって構成される。そして、低温側円筒１４の先端部に第２ステージ６が備わっている。
また、冷凍機４は、第１ステージ５が高温側円筒１２を介して熱シールド８と熱的に接触するように真空容器１０に取り付けられ、熱シールド８が第１ステージ５と同じ約６０Ｋに冷却されるように構成される。
【００１８】
冷凍機４を真空容器１０に取り付けるための冷凍機取付ポート１０ａは、真空容器１０の上部に突出して形成される略円筒形の台座であり、登頂部（真空容器１０から離れた端部）は、冷凍機４の高温側円筒１２が嵌まり込むように開口している。
冷凍機取付ポート１０ａは、超電導磁石１００の高さ方向を低く抑えるため、上下方向に対し傾斜して形成されることが好ましい。つまり、図１に示すように、冷凍機取付ポート１０ａの軸線Ｌ１（円筒形の中心線）が、超電導磁石１００の上下軸Ｚ（上下方向）に対し、例えば、真空容器１０の中心線Ｃ１の周りに回転した方向に傾斜するように形成される。ここでいう上下方向は、超電導磁石１００の上下方向を示す。
【００１９】
そして、図１に示すように、冷凍機４は高温側円筒１２が冷凍機取付ポート１０ａに嵌り込んで取り付けられ、シールド部材１８によって冷凍機取付ポート１０ａの開口部が気密にシールドされる。この構成によって、真空容器１０の気密性が確保される。
このような、冷凍機４の超電導磁石１００への取り付け方法は、従来の冷凍機（２段式ヘリウム冷凍機）を超電導磁石１００等に取り付ける方法と同等とすればよい。
【００２０】
冷凍機４は高温側円筒１２および低温側円筒１４の軸線（各円筒の中心線）が略同軸（軸線Ｌ２とする）になるように構成され、さらに、冷凍機取付ポート１０ａの軸線Ｌ１と高温側円筒１２および低温側円筒１４の軸線Ｌ２が略同軸になるように、冷凍機４は冷凍機取付ポート１０ａに取り付けられる。
したがって、高温側円筒１２および低温側円筒１４の軸線Ｌ２が超電導磁石１００の上下軸Ｚに対して傾斜するように冷凍機４が取付けられる。
以下、高温側円筒１２および低温側円筒１４の軸線Ｌ２を冷凍機４の軸線Ｌ２とする。
【００２１】
第２ステージ６に取り付けられる熱交換器７は、伝熱効率を向上するため第２ステージ６に直接（詳細にはインジューム箔を介して）取り付けられる。
図２に示すように、本実施形態に係る熱交換器７は、第２ステージ６に取り付けられない一端が開放した空洞部７ｄが形成される略円筒形の本体部７ａの外周側面に、多数のフィン７ｂが備わって形成される。本実施形態に係る熱交換器７のフィン７ｂは、本体部７ａの軸線Ｌ３（円筒形の中心線）の方向に延伸する板状の部材が本体部７ａの外周側面から径方向外周に向かって立設し、このような板状の部材が外周側面の１周に亘って複数配置され、外周側面が周方向に凹凸の形状となる。なお、熱交換器７は本体部７ａおよびフィン７ｂが熱伝導率の高い素材（銅など）で形成されることが好ましい。
【００２２】
熱交換器７は、本体部７ａの軸線Ｌ３（以下、熱交換器７の軸線Ｌ３とする）が冷凍機４の軸線Ｌ２と略同軸になるように取り付けられる。その取付方法は限定するものではないが、例えば、本体部７ａの外周側面に外側に広がるように形成されるフランジ部７ａ１と、第２ステージ６の外周側面に外側に広がるように形成されるフランジ部６ａと、が対峙するようにインジューム箔（図示せず）を挟んで熱交換器７と第２ステージ６を合わせ、互いのフランジ部７ａ１、６ａをボルトＢ１等で締結固定する構造とすればよい。
なお、排出孔７ｅ、ガス吸込口７ｆの詳細は後記する。
【００２３】
また、図１に示すように冷凍機４が真空容器１０に取り付けられたとき、第２ステージ６および熱交換器７が液溜槽１の内部上方に配置されるように構成される。
そして、第２ステージ６の冷却にともなって熱交換器７が冷却されると、熱交換器７の周囲のヘリウムガスが熱交換器７の表面（特に、図２に示すフィン７ｂの表面）で液体ヘリウム２に凝縮する。
【００２４】
図１に示すように、冷凍機４は、超電導磁石１００の上下軸Ｚに対して軸線Ｌ２が傾斜するように真空容器１０に取り付けられる。
前記したように、熱交換器７の軸線Ｌ３（図２参照）は、冷凍機４の軸線Ｌ２と略同軸であることから、熱交換器７の軸線Ｌ３も超電導磁石１００の上下軸Ｚに対して傾斜することになり、図２に示すフィン７ｂ、およびフィン７ｂとフィン７ｂの間に形成される溝部７ｃが延伸する方向も上下軸Ｚに対して傾斜した方向になる。
例えば、図２に示すように、熱交換器７の軸線Ｌ３が超電導磁石１００（図１参照）の上下軸Ｚ（上下方向）に対して「θ」の傾斜角を有する場合、軸線Ｌ３より上方に形成されるフィン７ｂで凝縮した液体ヘリウム２（図１参照）は、溝部７ｃに流れ落ちる。
なお、軸線Ｌ３より上方とは、例えば、軸線Ｌ３を法線とする平面上で軸線Ｌ３と直交し、かつ上下軸Ｚと直交方向の線より超電導磁石１００の上方の側とし、軸線Ｌ３より下方とは、軸線Ｌ３を法線とする平面上で軸線Ｌ３と直交し、かつ上下軸Ｚと直交方向の線より超電導磁石１００の下方の側とする。
【００２５】
フィン７ｂは熱交換器７の表面積を拡大して冷却効率を向上するために設けられるものであり、その数は多いほうが熱交換器７の表面積を拡大でき、ひいては、冷却効率を向上できる。
したがってフィン７ｂとフィン７ｂの間隔が狭くなり、溝部７ｃの幅も狭くなる。このことによって、液体ヘリウム２（図１参照）が溝部７ｃを流れにくい構造になり、溝部７ｃに流れ落ちた液体ヘリウム２が溝部７ｃに溜まりやすい。そして、溝部７ｃに液体ヘリウム２が溜まると、液膜の熱抵抗によって熱交換器７の凝縮熱伝達特性が悪化し、単位時間当たりの凝縮液量が減少する。
【００２６】
そこで、本実施形態に係る熱交換器７は、軸線Ｌ３が上下軸Ｚに対して傾斜するように冷凍機４が取り付けられる場合であっても、液膜の熱抵抗によって凝縮熱伝達特性が低下しないように、つまり、液膜の熱抵抗による凝縮熱伝達特性の悪化を軽減可能とするように、凝縮した液体ヘリウム２（図１参照）を効率よく排除する排除機構を備える構成とした。特に、溝部７ｃの液体ヘリウム２を効率よく排除する構成とした。
具体的に、図２〜４に示すように、溝部７ｃに液体ヘリウム２の排出孔７ｅを排除機構として設け、略円筒形の本体部７ａの空洞部７ｄと溝部７ｃを連通する構成とした。
【００２７】
熱交換器７の軸線Ｌ３が上下軸Ｚに対して傾斜角θを有するように、冷凍機４（図１参照）が真空容器１０（図１参照）に取り付けられる場合、例えば、軸線Ｌ３を法線とする平面を上下軸Ｚの方向に「９０°−θ」だけ傾斜させた平面上で、溝部７ｃから軸線Ｌ３の方向に向かって開口する連通孔（排出孔７ｅ）とする。
【００２８】
つまり、本実施形態においては、上下軸Ｚに対して傾斜している軸線Ｌ３を法線とする平面を上下軸Ｚと平行になるまで上下軸Ｚの方向に傾斜した平面上で、図４に示すように、溝部７ｃから軸線Ｌ３に向かって、空洞部７ｄと溝部７ｃが連通するように設けられる連通孔（排出孔７ｅ）を排除機構とする。
この構成によると、軸線Ｌ３より上方のフィン７ｂで凝縮した液体ヘリウム２（図１参照）は溝部７ｃに流れ落ち、さらに、排出孔７ｅを通って空洞部７ｄに流れ落ちる。空洞部７ｄは溝部７ｃより広い空間であり、液体ヘリウム２は傾斜によって熱交換器７（空洞部７ｄ）から流れ落ちやすい。したがって、フィン７ｂで凝縮した液体ヘリウム２を熱交換器７から効率よく排除できる。
【００２９】
なお、排出孔７ｅは軸線Ｌ３より下方の溝部７ｃに形成されていてもよいが、軸線Ｌ３より下方では、フィン７ｂで凝縮した液体ヘリウム２（図１参照）は流れ落ちやすいため、排出孔７ｅを形成する必要はない。
また、図２，３には１つの溝部７ｃに複数の排出孔７ｅが設けられる構成が図示されているが、この構成は限定されるものではない。例えば、１つの溝部７ｃに１つの排出孔７ｅが設けられる構成であってもよい。
また、排出孔７ｅの形状も限定されるものではなく、例えば、溝部７ｃの延伸方向に沿って長く開口する形状の排出孔７ｅであってもよい。
【００３０】
また、図２，３に示すように、例えば本体部７ａにガス吸込口７ｆが形成される構成であってもよい。
ガス吸込口７ｆは本体部７ａと空洞部７ｄを連通する管路であり、例えば空洞部７ｄの根元側（第２ステージ６側）に、排出孔７ｅと直交する方向に開口している。
このようなガス吸込口７ｆが開口すると、熱交換器７の周囲のヘリウムガスがガス吸込口７ｆを通って空洞部７ｄに流れ込み、空洞部７ｄに流れ込んだヘリウムガスは、空洞部７ｄの周囲で液体ヘリウム２（図１参照）に凝縮する。
このように、ガス吸込口７ｆを設けることによって、空洞部７ｄの内部でもヘリウムガスを凝縮することができ、熱交換器７での凝縮量を増やすことができる。
【００３１】
以上のように、本実施形態に係る冷凍機４（図１参照）は、熱交換器７（図２参照）に形成される複数のフィン７ｂ（図２参照）の間の溝部７ｃ（図２参照）に排出孔７ｅ（図３参照）を設けることによって、液体ヘリウム２（図１参照）を溝部７ｃから効果的に排除することができる。そして、液体ヘリウム２の液膜の熱抵抗による凝縮熱伝達特性の悪化を軽減することができ、単位時間当たりの凝縮液量の減少を抑えることができる。
【００３２】
また、ガス吸込口７ｆを設けることによってヘリウムガスの凝縮量を増やすことができ、このことによっても単位時間当たりの凝縮液量の減少を抑えられる。
【００３３】
《設計変更例》
本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、図５に示すように、略円筒形の本体部７０ａの外周側面から径方向外方に向かって立設し、周方向に延びて形成される複数のフィン７０ｂ（つまり、本体部７０ａの外周側面から径方向外方に広がるフランジ状の複数のフィン７０ｂ）を備える熱交換器７０とすることも可能である。
このような熱交換器７０においても、軸線Ｌ３より上方には、フィン７０ｂとフィン７０ｂの間の溝部７０ｃと空洞部７０ｄを連通する排出孔７０ｅを形成することで、溝部７０ｃの液体ヘリウム２（図１参照）を空洞部７０ｄに流し込むことができ、さらに空洞部７０ｄから落下させることが可能である。
したがって、熱交換器７０でヘリウムガスが凝縮した液体ヘリウム２を熱交換器７０から効率よく排除することができる。
【００３４】
この場合の排出孔７０ｅも、超電導磁石１００（図１参照）の上下軸Ｚに対して傾斜角θだけ傾斜している軸線Ｌ３を法線とする平面を、「９０°−θ」だけ上下軸Ｚの方向に傾斜させた平面上で、つまり、上下軸Ｚに対して傾斜している軸線Ｌ３を法線とする平面を上下軸Ｚと平行になるまで上下軸Ｚの方向に傾斜した平面上で、溝部７０ｃから軸線Ｌ３の方向に向かって開口する排出孔７０ｅとすればよい。
【００３５】
また、熱交換器７０の軸線Ｌ３が超電導磁石１００（図１参照）の上下軸Ｚに対して傾斜角θで傾斜している場合、図５に示す形状のフィン７０ｂを有する熱交換器７０では、液体ヘリウム２（図１参照）の、軸線Ｌ３に沿った方向への流れはフィン７０ｂによって堰き止められる。
そこで、例えばフィン７０ｂに複数のスリット７１を形成する構成としてもよい。スリット７１は、例えば、フィン７０ｂの外縁部から本体部７０ａ（つまり、フィン７０ｂの根元）まで達する切り込みで形成される間隙である。
溝部７０ｃの液体ヘリウム２はスリット７１を通って軸線Ｌ３に沿った方向に流れ、熱交換器７０の先端部まで到達するとそこから流れ落ちる。この構成によっても液体ヘリウム２を熱交換器７０から効率よく排除することができる。
【００３６】
なお、スリット７１は軸線Ｌ３より上方のみに形成される構成であってもよい。この構成によると、フィン７０ｂの面積を小さくすることを抑制でき、熱交換器７０の表面積が小さくなることを抑えられる。
【００３７】
また、図４に示す排出孔７ｅは、上下軸Ｚに対して傾斜している軸線Ｌ３を法線とする平面を上下軸Ｚと平行になるまで上下軸Ｚの方向に傾斜した平面上で、溝部７ｃから軸線Ｌ３の方向に向かって開口しているが、例えば、図６に示すように、全ての排出孔７ｅが上下軸Ｚと平行な方向に開口する構成であってもよい。
この構成の場合、上下軸Ｚが鉛直方向になるように超電導磁石１００（図１参照）が設置されると、全ての排出孔７ｅは鉛直方向に開口することになる。したがって、液体ヘリウム２（図１参照）を排出孔７ｅに効率よく流し込むことができ、熱交換器７から効率よく液体ヘリウム２を排除できる。
【００３８】
この場合、図６に示すように、軸線Ｌ３より上方の溝部７ｃと、軸線Ｌ３より下方の他の溝部７ｃを連通する排出孔７ｅ１が形成される場合がある。
液体ヘリウム２は排出孔７ｅ１に流れ込んだ場合、軸線Ｌ３より下方の溝部７ｃから流れ落ちるため、このような排出孔７ｅ１であっても熱交換器７から液体ヘリウム２を効率よく排除できる。
【００３９】
また、例えば熱交換器７（図２参照）の表面（本体部７ａ（図２参照）および、フィン７ｂ（図２参照）の少なくとも一方の表面）が、例えばフッ素樹脂のコーティングなどの撥液加工されている構成とすれば、より効果的に液体ヘリウム２（図１参照）を熱交換器７から排除することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１ 液溜槽
２ 液体ヘリウム（液体冷媒）
４ 冷凍機
５ 第１ステージ（冷却部）
６ 第２ステージ（冷却部）
７，７０ 熱交換器
７ａ，７０ａ 本体部
７ｂ，７０ｂ フィン
７ｃ，７０ｃ 溝部
７ｅ，７０ｅ 排出孔（排除機構）
７ｆ ガス吸込口
１００ 超電導磁石（極低温装置）
Ｌ１ 軸線（冷凍機取付ポートの軸線）
Ｌ２ 軸線（冷凍機の軸線）
Ｌ３ 軸線（本体部の軸線、熱交換器の軸線）
Ｚ 上下軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導応用装置などの極低温装置に使用される冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩ（magnetic resonance imaging）を利用する装置（以下、ＭＲＩ装置と称する）など超電導を応用した装置は、超電導磁石の超電導コイルを極低温に維持することが必要な極低温装置であり、冷却材として液体ヘリウムが利用される場合がある。
近年のＭＲＩ装置に使用される超電導磁石はヘリウム資源を確保する観点から、気化したヘリウムガスが大気中に放出されることが極めて少なくなるように構成され、２段式ヘリウム冷凍機などを備えて、液体ヘリウムが封入される液溜槽内で気化したヘリウムガスを液化ヘリウムに凝縮するように構成される。
【０００３】
２段式ヘリウム冷凍機は、ヘリウムガスを凝縮するための熱交換器を冷却部に直接取りつけるように構成される。また熱交換器には、表面積を拡大して効率よくヘリウムガスを凝縮するための多数のフィンが備わっている。
そして、ヘリウムガスは液溜槽の上方に溜まることから、２段式ヘリウム冷凍機はＭＲＩ装置の上方に配置されることが好ましい。
【０００４】
一方、ＭＲＩ装置は、小さなスペースにも設置できるように小型化されることが要求される。特に、天井高さが低い場所にも設置できるように構成されることが要求され、高さを低くすることが求められる。
そこで、ＭＲＩ装置の冷凍機として２段式ヘリウム冷凍機が利用される場合、ＭＲＩ装置の上下方向に対して傾斜させて２段式ヘリウム冷凍機を取り付け、上方に高くなることを抑えるように構成されることがある。
【０００５】
しかしながら、このように２段式ヘリウム冷凍機を取り付けると、２段式ヘリウム冷凍機の熱交換器で凝縮した液体ヘリウムが、特に、熱交換器のフィンとフィンの間に溜まり、溜まった液体ヘリウムによって液膜が厚くなる。そして、液膜が厚くなると、液膜の熱抵抗によって熱交換器における凝縮熱伝達特性が悪化し、単位時間当たりの凝縮液量が減少して凝縮されないヘリウムガスが大気中に放出されるため、液体ヘリウムを補給する必要がある。
【０００６】
例えば特許文献１には、フィンに毛細管路を形成し、この毛細管路を通して液滴を落下させ、液滴の表面積拡大によって伝熱性能を改善する技術が開示されている。
しかしながら、比較的凝縮量が少ない場合は液滴の数が少なく、充分に伝熱性能を改善できないという問題がある。また、フィンに毛細管路を形成するため伝熱面積が減少するという問題もある。
したがって、特許文献１に開示される技術を、そのままＭＲＩ装置用の２段式ヘリウム冷凍機に適用することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６１−１０７０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、液膜の熱抵抗による凝縮熱伝達特性の悪化を軽減可能な、極低温装置用の冷凍機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため本発明は、略円筒形の本体部の外周側面に複数のフィンが形成されてなる熱交換器が冷却部に熱的に接続されて構成され、極低温装置に使用されている液体冷媒が気化したガスを前記熱交換器で凝縮するために前記極低温装置に取り付けられる冷凍機とする。そして、前記ガスが前記熱交換器で凝縮した前記液体冷媒を、前記複数のフィンの間の溝部から排除するための排除機構を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、液膜の熱抵抗による凝縮熱伝達特性の悪化を軽減可能な、極低温装置用の冷凍機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る冷凍機が取り付けられる超電導磁石の断面図である。
【図２】熱交換器の構造を示す斜視図である。
【図３】熱交換器の軸線に沿った方向の断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図であって、上下軸に対して傾斜する軸線を法線とする平面を上下軸と平行になるまで傾斜した平面での断面図である。
【図５】設計変更例に係る熱交換器の断面斜視図である。
【図６】上下軸と平行な排出孔の構造を示す、熱交換器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
例えば、図１に示す超電導磁石１００は、超電導コイル３を極低温に維持する必要がある極低温装置であり、ＭＲＩ装置（図示せず）に備わっている。
図１に示すように、超電導磁石１００は、超電導コイル３を内包して液体ヘリウム２（液体冷媒）が封入される液溜槽１が、略円筒形の真空容器１０内に収納されて構成される。
真空容器１０は内部を真空に維持できる密閉容器であり、内壁には積層断熱層９が形成される。さらに積層断熱層９の内側には、真空容器１０に設けられる支持体１１によって熱シールド８が支持されて備わっている。
この構成によって、真空容器１０の内部、つまり、熱シールド８の内側は外気と熱的に遮断される。
【００１３】
支持体１１は熱シールド８を支持するとともに、熱シールド８で覆われた空間内に液溜槽１を吊り下げ支持している。この構成によって、液溜槽１は、真空容器１０、積層断熱層９、および熱シールド８と接することなく真空容器１０内に収納される。
【００１４】
液溜槽１は、中軸部１ａの周囲に形成される気密の槽であり、液溜槽１の内部には液体ヘリウム２が封入される。また、液溜槽１の中軸部１ａの周囲には、液体ヘリウム２に浸漬するように超電導コイル３が巻きつけられる。
【００１５】
そして、超電導磁石１００には、液溜槽１の内部で液体ヘリウム２が気化したヘリウムガスを冷却して凝縮するための冷凍機４が、ヘリウムガスが溜まる液溜槽１の上部に備わっている。
【００１６】
本実施形態に係る冷凍機４は、例えば、冷却部として、第１ステージ５と第２ステージ６を有する２段式ヘリウム冷凍機であり、第２ステージ６には、インジューム箔（図示せず）を介して熱交換器７が熱的に接続されている。
冷凍機４の冷凍性能は、例えば、第１ステージ５の温度が６０Ｋのとき６０Ｗ、第２ステージ６が４Ｋのとき１Ｗ以上となるような性能が好適である。
【００１７】
冷凍機４（２段式ヘリウム冷凍機）は公知のものを使用することができ、その詳細な説明は省略するが、高温側円筒１２の先端部に第１ステージ５が備わり、さらに、高温側円筒１２の先端部から延びるように、第１ステージ５と熱的に連結する低温側円筒１４が備わって構成される。そして、低温側円筒１４の先端部に第２ステージ６が備わっている。
また、冷凍機４は、第１ステージ５が高温側円筒１２を介して熱シールド８と熱的に接触するように真空容器１０に取り付けられ、熱シールド８が第１ステージ５と同じ約６０Ｋに冷却されるように構成される。
【００１８】
冷凍機４を真空容器１０に取り付けるための冷凍機取付ポート１０ａは、真空容器１０の上部に突出して形成される略円筒形の台座であり、登頂部（真空容器１０から離れた端部）は、冷凍機４の高温側円筒１２が嵌まり込むように開口している。
冷凍機取付ポート１０ａは、超電導磁石１００の高さ方向を低く抑えるため、上下方向に対し傾斜して形成されることが好ましい。つまり、図１に示すように、冷凍機取付ポート１０ａの軸線Ｌ１（円筒形の中心線）が、超電導磁石１００の上下軸Ｚ（上下方向）に対し、例えば、真空容器１０の中心線Ｃ１の周りに回転した方向に傾斜するように形成される。ここでいう上下方向は、超電導磁石１００の上下方向を示す。
【００１９】
そして、図１に示すように、冷凍機４は高温側円筒１２が冷凍機取付ポート１０ａに嵌り込んで取り付けられ、シールド部材１８によって冷凍機取付ポート１０ａの開口部が気密にシールドされる。この構成によって、真空容器１０の気密性が確保される。
このような、冷凍機４の超電導磁石１００への取り付け方法は、従来の冷凍機（２段式ヘリウム冷凍機）を超電導磁石１００等に取り付ける方法と同等とすればよい。
【００２０】
冷凍機４は高温側円筒１２および低温側円筒１４の軸線（各円筒の中心線）が略同軸（軸線Ｌ２とする）になるように構成され、さらに、冷凍機取付ポート１０ａの軸線Ｌ１と高温側円筒１２および低温側円筒１４の軸線Ｌ２が略同軸になるように、冷凍機４は冷凍機取付ポート１０ａに取り付けられる。
したがって、高温側円筒１２および低温側円筒１４の軸線Ｌ２が超電導磁石１００の上下軸Ｚに対して傾斜するように冷凍機４が取付けられる。
以下、高温側円筒１２および低温側円筒１４の軸線Ｌ２を冷凍機４の軸線Ｌ２とする。
【００２１】
第２ステージ６に取り付けられる熱交換器７は、伝熱効率を向上するため第２ステージ６に直接（詳細にはインジューム箔を介して）取り付けられる。
図２に示すように、本実施形態に係る熱交換器７は、第２ステージ６に取り付けられない一端が開放した空洞部７ｄが形成される略円筒形の本体部７ａの外周側面に、多数のフィン７ｂが備わって形成される。本実施形態に係る熱交換器７のフィン７ｂは、本体部７ａの軸線Ｌ３（円筒形の中心線）の方向に延伸する板状の部材が本体部７ａの外周側面から径方向外周に向かって立設し、このような板状の部材が外周側面の１周に亘って複数配置され、外周側面が周方向に凹凸の形状となる。なお、熱交換器７は本体部７ａおよびフィン７ｂが熱伝導率の高い素材（銅など）で形成されることが好ましい。
【００２２】
熱交換器７は、本体部７ａの軸線Ｌ３（以下、熱交換器７の軸線Ｌ３とする）が冷凍機４の軸線Ｌ２と略同軸になるように取り付けられる。その取付方法は限定するものではないが、例えば、本体部７ａの外周側面に外側に広がるように形成されるフランジ部７ａ１と、第２ステージ６の外周側面に外側に広がるように形成されるフランジ部６ａと、が対峙するようにインジューム箔（図示せず）を挟んで熱交換器７と第２ステージ６を合わせ、互いのフランジ部７ａ１、６ａをボルトＢ１等で締結固定する構造とすればよい。
なお、排出孔７ｅ、ガス吸込口７ｆの詳細は後記する。
【００２３】
また、図１に示すように冷凍機４が真空容器１０に取り付けられたとき、第２ステージ６および熱交換器７が液溜槽１の内部上方に配置されるように構成される。
そして、第２ステージ６の冷却にともなって熱交換器７が冷却されると、熱交換器７の周囲のヘリウムガスが熱交換器７の表面（特に、図２に示すフィン７ｂの表面）で液体ヘリウム２に凝縮する。
【００２４】
図１に示すように、冷凍機４は、超電導磁石１００の上下軸Ｚに対して軸線Ｌ２が傾斜するように真空容器１０に取り付けられる。
前記したように、熱交換器７の軸線Ｌ３（図２参照）は、冷凍機４の軸線Ｌ２と略同軸であることから、熱交換器７の軸線Ｌ３も超電導磁石１００の上下軸Ｚに対して傾斜することになり、図２に示すフィン７ｂ、およびフィン７ｂとフィン７ｂの間に形成される溝部７ｃが延伸する方向も上下軸Ｚに対して傾斜した方向になる。
例えば、図２に示すように、熱交換器７の軸線Ｌ３が超電導磁石１００（図１参照）の上下軸Ｚ（上下方向）に対して「θ」の傾斜角を有する場合、軸線Ｌ３より上方に形成されるフィン７ｂで凝縮した液体ヘリウム２（図１参照）は、溝部７ｃに流れ落ちる。
なお、軸線Ｌ３より上方とは、例えば、軸線Ｌ３を法線とする平面上で軸線Ｌ３と直交し、かつ上下軸Ｚと直交方向の線より超電導磁石１００の上方の側とし、軸線Ｌ３より下方とは、軸線Ｌ３を法線とする平面上で軸線Ｌ３と直交し、かつ上下軸Ｚと直交方向の線より超電導磁石１００の下方の側とする。
【００２５】
フィン７ｂは熱交換器７の表面積を拡大して冷却効率を向上するために設けられるものであり、その数は多いほうが熱交換器７の表面積を拡大でき、ひいては、冷却効率を向上できる。
したがってフィン７ｂとフィン７ｂの間隔が狭くなり、溝部７ｃの幅も狭くなる。このことによって、液体ヘリウム２（図１参照）が溝部７ｃを流れにくい構造になり、溝部７ｃに流れ落ちた液体ヘリウム２が溝部７ｃに溜まりやすい。そして、溝部７ｃに液体ヘリウム２が溜まると、液膜の熱抵抗によって熱交換器７の凝縮熱伝達特性が悪化し、単位時間当たりの凝縮液量が減少する。
【００２６】
そこで、本実施形態に係る熱交換器７は、軸線Ｌ３が上下軸Ｚに対して傾斜するように冷凍機４が取り付けられる場合であっても、液膜の熱抵抗によって凝縮熱伝達特性が低下しないように、つまり、液膜の熱抵抗による凝縮熱伝達特性の悪化を軽減可能とするように、凝縮した液体ヘリウム２（図１参照）を効率よく排除する排除機構を備える構成とした。特に、溝部７ｃの液体ヘリウム２を効率よく排除する構成とした。
具体的に、図２〜４に示すように、溝部７ｃに液体ヘリウム２の排出孔７ｅを排除機構として設け、略円筒形の本体部７ａの空洞部７ｄと溝部７ｃを連通する構成とした。
【００２７】
熱交換器７の軸線Ｌ３が上下軸Ｚに対して傾斜角θを有するように、冷凍機４（図１参照）が真空容器１０（図１参照）に取り付けられる場合、例えば、軸線Ｌ３を法線とする平面を上下軸Ｚの方向に「９０°−θ」だけ傾斜させた平面上で、溝部７ｃから軸線Ｌ３の方向に向かって開口する連通孔（排出孔７ｅ）とする。
【００２８】
つまり、本実施形態においては、上下軸Ｚに対して傾斜している軸線Ｌ３を法線とする平面を上下軸Ｚと平行になるまで上下軸Ｚの方向に傾斜した平面上で、図４に示すように、溝部７ｃから軸線Ｌ３に向かって、空洞部７ｄと溝部７ｃが連通するように設けられる連通孔（排出孔７ｅ）を排除機構とする。
この構成によると、軸線Ｌ３より上方のフィン７ｂで凝縮した液体ヘリウム２（図１参照）は溝部７ｃに流れ落ち、さらに、排出孔７ｅを通って空洞部７ｄに流れ落ちる。空洞部７ｄは溝部７ｃより広い空間であり、液体ヘリウム２は傾斜によって熱交換器７（空洞部７ｄ）から流れ落ちやすい。したがって、フィン７ｂで凝縮した液体ヘリウム２を熱交換器７から効率よく排除できる。
【００２９】
なお、排出孔７ｅは軸線Ｌ３より下方の溝部７ｃに形成されていてもよいが、軸線Ｌ３より下方では、フィン７ｂで凝縮した液体ヘリウム２（図１参照）は流れ落ちやすいため、排出孔７ｅを形成する必要はない。
また、図２，３には１つの溝部７ｃに複数の排出孔７ｅが設けられる構成が図示されているが、この構成は限定されるものではない。例えば、１つの溝部７ｃに１つの排出孔７ｅが設けられる構成であってもよい。
また、排出孔７ｅの形状も限定されるものではなく、例えば、溝部７ｃの延伸方向に沿って長く開口する形状の排出孔７ｅであってもよい。
【００３０】
また、図２，３に示すように、例えば本体部７ａにガス吸込口７ｆが形成される構成であってもよい。
ガス吸込口７ｆは本体部７ａと空洞部７ｄを連通する管路であり、例えば空洞部７ｄの根元側（第２ステージ６側）に、排出孔７ｅと直交する方向に開口している。
このようなガス吸込口７ｆが開口すると、熱交換器７の周囲のヘリウムガスがガス吸込口７ｆを通って空洞部７ｄに流れ込み、空洞部７ｄに流れ込んだヘリウムガスは、空洞部７ｄの周囲で液体ヘリウム２（図１参照）に凝縮する。
このように、ガス吸込口７ｆを設けることによって、空洞部７ｄの内部でもヘリウムガスを凝縮することができ、熱交換器７での凝縮量を増やすことができる。
【００３１】
以上のように、本実施形態に係る冷凍機４（図１参照）は、熱交換器７（図２参照）に形成される複数のフィン７ｂ（図２参照）の間の溝部７ｃ（図２参照）に排出孔７ｅ（図３参照）を設けることによって、液体ヘリウム２（図１参照）を溝部７ｃから効果的に排除することができる。そして、液体ヘリウム２の液膜の熱抵抗による凝縮熱伝達特性の悪化を軽減することができ、単位時間当たりの凝縮液量の減少を抑えることができる。
【００３２】
また、ガス吸込口７ｆを設けることによってヘリウムガスの凝縮量を増やすことができ、このことによっても単位時間当たりの凝縮液量の減少を抑えられる。
【００３３】
《設計変更例》
本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、図５に示すように、略円筒形の本体部７０ａの外周側面から径方向外方に向かって立設し、周方向に延びて形成される複数のフィン７０ｂ（つまり、本体部７０ａの外周側面から径方向外方に広がるフランジ状の複数のフィン７０ｂ）を備える熱交換器７０とすることも可能である。
このような熱交換器７０においても、軸線Ｌ３より上方には、フィン７０ｂとフィン７０ｂの間の溝部７０ｃと空洞部７０ｄを連通する排出孔７０ｅを形成することで、溝部７０ｃの液体ヘリウム２（図１参照）を空洞部７０ｄに流し込むことができ、さらに空洞部７０ｄから落下させることが可能である。
したがって、熱交換器７０でヘリウムガスが凝縮した液体ヘリウム２を熱交換器７０から効率よく排除することができる。
【００３４】
この場合の排出孔７０ｅも、超電導磁石１００（図１参照）の上下軸Ｚに対して傾斜角θだけ傾斜している軸線Ｌ３を法線とする平面を、「９０°−θ」だけ上下軸Ｚの方向に傾斜させた平面上で、つまり、上下軸Ｚに対して傾斜している軸線Ｌ３を法線とする平面を上下軸Ｚと平行になるまで上下軸Ｚの方向に傾斜した平面上で、溝部７０ｃから軸線Ｌ３の方向に向かって開口する排出孔７０ｅとすればよい。
【００３５】
また、熱交換器７０の軸線Ｌ３が超電導磁石１００（図１参照）の上下軸Ｚに対して傾斜角θで傾斜している場合、図５に示す形状のフィン７０ｂを有する熱交換器７０では、液体ヘリウム２（図１参照）の、軸線Ｌ３に沿った方向への流れはフィン７０ｂによって堰き止められる。
そこで、例えばフィン７０ｂに複数のスリット７１を形成する構成としてもよい。スリット７１は、例えば、フィン７０ｂの外縁部から本体部７０ａ（つまり、フィン７０ｂの根元）まで達する切り込みで形成される間隙である。
溝部７０ｃの液体ヘリウム２はスリット７１を通って軸線Ｌ３に沿った方向に流れ、熱交換器７０の先端部まで到達するとそこから流れ落ちる。この構成によっても液体ヘリウム２を熱交換器７０から効率よく排除することができる。
【００３６】
なお、スリット７１は軸線Ｌ３より上方のみに形成される構成であってもよい。この構成によると、フィン７０ｂの面積を小さくすることを抑制でき、熱交換器７０の表面積が小さくなることを抑えられる。
【００３７】
また、図４に示す排出孔７ｅは、上下軸Ｚに対して傾斜している軸線Ｌ３を法線とする平面を上下軸Ｚと平行になるまで上下軸Ｚの方向に傾斜した平面上で、溝部７ｃから軸線Ｌ３の方向に向かって開口しているが、例えば、図６に示すように、全ての排出孔７ｅが上下軸Ｚと平行な方向に開口する構成であってもよい。
この構成の場合、上下軸Ｚが鉛直方向になるように超電導磁石１００（図１参照）が設置されると、全ての排出孔７ｅは鉛直方向に開口することになる。したがって、液体ヘリウム２（図１参照）を排出孔７ｅに効率よく流し込むことができ、熱交換器７から効率よく液体ヘリウム２を排除できる。
【００３８】
この場合、図６に示すように、軸線Ｌ３より上方の溝部７ｃと、軸線Ｌ３より下方の他の溝部７ｃを連通する排出孔７ｅ１が形成される場合がある。
液体ヘリウム２は排出孔７ｅ１に流れ込んだ場合、軸線Ｌ３より下方の溝部７ｃから流れ落ちるため、このような排出孔７ｅ１であっても熱交換器７から液体ヘリウム２を効率よく排除できる。
【００３９】
また、例えば熱交換器７（図２参照）の表面（本体部７ａ（図２参照）および、フィン７ｂ（図２参照）の少なくとも一方の表面）が、例えばフッ素樹脂のコーティングなどの撥液加工されている構成とすれば、より効果的に液体ヘリウム２（図１参照）を熱交換器７から排除することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１ 液溜槽
２ 液体ヘリウム（液体冷媒）
４ 冷凍機
５ 第１ステージ（冷却部）
６ 第２ステージ（冷却部）
７，７０ 熱交換器
７ａ，７０ａ 本体部
７ｂ，７０ｂ フィン
７ｃ，７０ｃ 溝部
７ｅ，７０ｅ 排出孔（排除機構）
７ｆ ガス吸込口
１００ 超電導磁石（極低温装置）
Ｌ１ 軸線（冷凍機取付ポートの軸線）
Ｌ２ 軸線（冷凍機の軸線）
Ｌ３ 軸線（本体部の軸線、熱交換器の軸線）
Ｚ 上下軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒形の本体部の外周側面に複数のフィンが形成されてなる熱交換器が冷却部に熱的に接続されて構成され、
極低温装置に使用されている液体冷媒が気化したガスを前記熱交換器で凝縮するために前記極低温装置に取り付けられる冷凍機であって、
前記ガスが前記熱交換器で凝縮した前記液体冷媒を、前記複数のフィンの間の溝部から排除するための排除機構を備えることを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
前記排除機構は、
前記本体部の空洞部と前記溝部を連通する連通孔であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
前記空洞部に前記ガスを吸込むためのガス吸込口を設けたことを特徴とする請求項２に記載の冷凍機。
【請求項４】
前記複数のフィンは、前記本体部の外周側面から径方向外側に向かって立設し、前記本体部の軸線方向に延伸していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷凍機。
【請求項５】
前記複数のフィンは、前記本体部の外周側面から径方向外側に向かって立設し、周方向に延びて形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷凍機。
【請求項６】
前記複数のフィンにスリットを形成したことを特徴とする請求項５に記載の冷凍機。
【請求項７】
前記本体部および前記複数のフィンの少なくとも一方の表面が撥液加工されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷凍機。
【請求項８】
前記本体部の軸線が前記極低温装置の上下方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の冷凍機。
【請求項１】
略円筒形の本体部の外周側面に複数のフィンが形成されてなる熱交換器が冷却部に熱的に接続されて構成され、
極低温装置に使用されている液体冷媒が気化したガスを前記熱交換器で凝縮するために前記極低温装置に取り付けられる冷凍機であって、
前記ガスが前記熱交換器で凝縮した前記液体冷媒を、前記複数のフィンの間の溝部から排除するための排除機構を備えることを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
前記排除機構は、
前記本体部の空洞部と前記溝部を連通する連通孔であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
前記空洞部に前記ガスを吸込むためのガス吸込口を設けたことを特徴とする請求項２に記載の冷凍機。
【請求項４】
前記複数のフィンは、前記本体部の外周側面から径方向外側に向かって立設し、前記本体部の軸線方向に延伸していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷凍機。
【請求項５】
前記複数のフィンは、前記本体部の外周側面から径方向外側に向かって立設し、周方向に延びて形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷凍機。
【請求項６】
前記複数のフィンにスリットを形成したことを特徴とする請求項５に記載の冷凍機。
【請求項７】
前記本体部および前記複数のフィンの少なくとも一方の表面が撥液加工されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷凍機。
【請求項８】
前記本体部の軸線が前記極低温装置の上下方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の冷凍機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−５３８２４（Ｐ２０１３−５３８２４Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９３１４１（Ｐ２０１１−１９３１４１）
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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