低溫恒溫器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于冷卻超導(dǎo)磁體等的低溫恒溫器。
【背景技術(shù)】
[0002]在應(yīng)用于NMR裝置等的超導(dǎo)磁體裝置中，為了使作為冷媒的液體氦的消耗為零，而使用將蒸發(fā)的冷媒再凝結(jié)的制冷機(jī)。但是，制冷機(jī)的周期性的液化循環(huán)，使容納冷媒的冷媒槽內(nèi)產(chǎn)生壓力變動，從而使冷媒槽產(chǎn)生微小的變位。其結(jié)果是，在測定對象的磁場中產(chǎn)生擾亂，對測定結(jié)果產(chǎn)生有害的噪聲。
[0003]因此，在專利文獻(xiàn)1中，公開了將設(shè)置有直徑比制冷機(jī)所產(chǎn)生的聲波的波長足夠小的多個孔的插頭設(shè)置在將容納制冷機(jī)的下部的再凝結(jié)室與容納液體氦的冷媒槽連接的通路的低溫恒溫器適配器。在冷媒槽內(nèi)液體氦蒸發(fā)產(chǎn)生的氦氣體，經(jīng)過多個孔而進(jìn)入再凝結(jié)室。在再凝結(jié)室內(nèi)通過氦氣體再凝結(jié)而產(chǎn)生的液體氦，經(jīng)過多個孔而返回冷媒槽。然后，在制冷機(jī)中產(chǎn)生的聲波，在通過多個孔時被衰減。
[0004]先行技術(shù)文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:JP特開2006-184280號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]所要解決的技術(shù)問題
[0008]然而，專利文獻(xiàn)1的插頭存在如下的問題。即，在維護(hù)制冷機(jī)時，冷媒槽被暫時開放。此時，在冷媒槽內(nèi)有混入微量的空氣的可能性?；烊肜涿讲蹆?nèi)的空氣通過冷媒被冷卻而凝結(jié)，滯留在冷媒槽內(nèi)。該凝結(jié)了的空氣，在萬一使插頭的多個孔閉塞時，冷媒槽與再凝結(jié)室的通路被阻斷，會對再凝結(jié)功能產(chǎn)生致命的不良。
[0009]本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠降低由制冷機(jī)引起的壓力變動的低溫恒溫器。
[0010]本發(fā)明的低溫恒溫器，具有:冷媒槽，其用于容納液體的冷媒；制冷機(jī)，其設(shè)置在所述冷媒槽的上方，且使在所述冷媒槽內(nèi)蒸發(fā)的冷媒再凝結(jié)；筒狀部件，其容納所述制冷機(jī)的下部且形成與所述冷媒槽連通的再凝結(jié)室；以及氣相容積變動單元，其與比所述冷媒槽內(nèi)中的液體的冷媒的液面更位于上方的氣相空間連通，使所述氣相空間的氣相容積變動，以消除所述冷媒槽內(nèi)的壓力變動。
[0011](發(fā)明效果)
[0012]根據(jù)本發(fā)明，通過與比冷媒槽內(nèi)中的液體的冷媒的液面更位于上方的氣相空間連通的氣相容積變動單元，使氣相空間的氣相容積變動，以消除冷媒槽內(nèi)的壓力變動。在此，冷媒槽內(nèi)的壓力變動由制冷機(jī)的液化循環(huán)引起。也就是說，在通過液化循環(huán)來產(chǎn)生冷凍時，冷媒發(fā)生一定量的凝結(jié)而使氣相量減少，由此使冷媒槽內(nèi)的壓力減少，另一方面，當(dāng)通過液化循環(huán)未產(chǎn)生冷凍時，冷媒氣化而使氣相量增加，由此使冷媒槽內(nèi)的壓力上升。于是，通過這兩種狀態(tài)變化被反復(fù)而使冷媒槽內(nèi)的壓力周期性地不斷變化。因此，當(dāng)由于氣相量減少而使冷媒槽內(nèi)的壓力減少時，使氣相空間的氣相容積變小，以使冷媒槽內(nèi)的壓力上升，另一方面，當(dāng)由于氣相量增加而使冷媒槽內(nèi)的壓力上升時，使氣相空間的氣相容積變大，以使冷媒槽內(nèi)的壓力減少。如此，通過使氣相空間的氣相容積變動，來消除冷媒槽內(nèi)的壓力變動。由此，能夠降低由制冷機(jī)弓丨起的壓力變動。
【附圖說明】
[0013]圖1是表示低溫恒溫器的內(nèi)部構(gòu)造的側(cè)視圖。
[0014]圖2是圖1的主要部分A的放大剖面圖。
[0015]圖3是氣相容積變動單元的電路圖。
[0016]圖4是氣相容積變動單元的電路圖。
[0017]圖5是表示壓力變動的評價結(jié)果的圖表。
[0018]圖6A是表示NMR信號的圖。
[0019]圖6B是表示NMR信號的圖。
[0020]圖7是圖1的主要部分A的放大剖面圖。
[0021]圖8是氣相容積變動單元的電路圖。
[0022]圖9是氣相容積變動單元的電路圖。
[0023]圖10是氣相容積變動單元的電路圖。
[0024]圖11是氣相容積變動單元的電路圖。
[0025]圖12是氣相容積變動單元的電路圖。
[0026]圖13是氣相容積變動單元電路圖。
[0027]圖14是氣相容積變動單元的電路圖。
[0028]圖15是氣相容積變動單元的電路圖。
[0029]圖16是表示制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0030]圖17是氣相容積變動單元的電路圖。
[0031]圖18是氣相容積變動單元的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下，針對本發(fā)明適合的實(shí)施方式，參照附圖來進(jìn)行說明。
[0033][第1實(shí)施方式]
[0034](低溫恒溫器的結(jié)構(gòu))
[0035]本發(fā)明的第1實(shí)施方式的低溫恒溫器100，如圖1所示，具有:容納液體的作為冷媒的液體氦的氦槽(冷媒槽)2 ;設(shè)置在氦槽2的上方的制冷機(jī)5 ;形成與氦槽2連通的再凝結(jié)室8的筒狀部件15 ;以及與再凝結(jié)室8連接的氣相容積變動單元20。此外，本實(shí)施方式的低溫恒溫器100，雖用于NMR裝置，但并不限定于此，例如，也可以用于MRI裝置。此外，冷媒不限定于氦。
[0036]在氦槽2中設(shè)置有氣體放出口(未圖示)。該氣體放出口，在喪失制冷機(jī)5的能力時是氦氣體蒸發(fā)的路徑，且設(shè)置于后述的筒部件13的上端部。在該氣體放出口的頂端，安裝有用于防止從外部向氦槽2內(nèi)的空氣的混入的止回閥。該止回閥具有能夠充分安全地處理在后述的超導(dǎo)磁體1冷激(quench)時產(chǎn)生的大量氦氣體的性能。因此，即使氦槽2內(nèi)的氦氣體通過制冷機(jī)5冷卻而液化，氦槽2內(nèi)的總氦量也不變化。此外，為了防止向氦槽2內(nèi)的空氣的混入，氦槽2內(nèi)的壓力被控制為僅稍高于大氣壓的正壓。作為氦槽2的材質(zhì)，可列舉鋁、不銹鋼等。
[0037]在氦槽2內(nèi)，容納有超導(dǎo)磁體1。超導(dǎo)磁體1是將超導(dǎo)線材以螺旋狀纏繞于卷軸(未圖示)而成。超導(dǎo)線材可以是金屬系超導(dǎo)線材，也可以是氧化物系超導(dǎo)線材。此外，在氦槽2的中心部，設(shè)置有沿鉛垂方向延長的圓筒空間S (空腔)。向該圓筒空間S投入樣品，進(jìn)行各種分析?實(shí)驗(yàn)。在氦槽2內(nèi)，在浸漬超導(dǎo)磁體1的液體氦的液面的上方，形成由氦氣體充滿的氣相空間10。
[0038]氦槽2由輻射保護(hù)罩3包圍。該輻射保護(hù)罩3是用于進(jìn)一步密封冷熱的、由氦氣體具有的冷熱來進(jìn)行冷卻的保護(hù)罩容器。此外，輻射保護(hù)罩3是由制冷機(jī)5的后述的第1冷卻臺6來強(qiáng)制冷卻的。作為輻射保護(hù)罩3的材質(zhì)，可列舉鋁、銅等。
[0039]此外，氦槽2以及輻射保護(hù)罩3容納在真空容器4內(nèi)。該真空容器4是使其內(nèi)部被保持為高真空，以抑制向超導(dǎo)磁體1或氦槽2的熱侵入的容器。在真空容器4的上部安裝了在內(nèi)部具有筒部件13的頸部件12。筒部件13用作電流引線(未圖示)的插入通路，或用作向氦槽2內(nèi)的液體氦的補(bǔ)充通路。此外，真空容器4，由多個座架9支撐在地板上。作為真空容器4的材質(zhì)，可列舉鋁、不銹鋼等。
[0040]制冷機(jī)5用于使在氦槽2內(nèi)蒸發(fā)了的液體氦再液化(再凝結(jié))，在本實(shí)施方式中，使用了脈沖管制冷機(jī)。在制冷機(jī)5的鉛垂方向上的中途部設(shè)置了第1冷卻臺6(第1臺)，在制冷機(jī)5的下端部設(shè)置了第2冷卻臺7(第2臺)。第1冷卻臺6以及第2冷卻臺7都具有凸緣狀的形態(tài)，通過制冷機(jī)5而被冷卻，分別成為例如約40K以及約4K。第1冷卻臺6以及第2冷卻臺7的材質(zhì)主要是銅或銅合金。此外，制冷機(jī)5并不限定于脈沖管制冷機(jī)，也可以是GM制冷機(jī)或斯特林型制冷機(jī)等。
[0041]筒狀部件15容納了包括制冷機(jī)5中的第2冷卻臺7的下部。在該筒狀部件15的外側(cè)還配置有筒狀部件16。該筒狀部件15的內(nèi)部空間是再凝結(jié)室8，該再凝結(jié)室8與氦槽2由比筒狀部件15直徑小的筒狀的連通部件14連通。
[0042](氣相容積變動單元的結(jié)構(gòu))
[0043]氣相容積變動單元20被裝載于地板上豎直放置的架臺17上，通過不銹鋼制的撓性管11與再凝結(jié)室8連接，從而經(jīng)由再凝結(jié)室8而與氣相空間10連通。此外，氣相容積變動單元20也可以不經(jīng)由再凝結(jié)室8而直接與氣相空間10連通。該氣相容積變動單元20使氣相空間10的氣相容積變動，以消除氦槽2內(nèi)的壓力變動。
[0044]具體而言，如圖1的主要部分A的放大剖面圖即圖2所示，氣相容積變動單元20具有:能夠使氣相空間10的氣相容積變動的變動裝置21 ;以及對氣相空間10或再凝結(jié)室8內(nèi)的壓力進(jìn)行測定的差壓計(壓力測定單元)29 (參照圖3)。變動裝置21具有:經(jīng)由撓性管11而與再凝結(jié)室8連通，且容積可變的不銹鋼制的蛇腹容器22 ;具有螺栓軸23a和與它螺合的螺母23b的桿型螺栓23 ;使螺栓軸23a旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)24 ;與螺母23b結(jié)合且固定在蛇腹容器22的上壁22a的平板25。此外，雖然由于步進(jìn)電機(jī)24在電源接入時會不知道當(dāng)前的位置，因此需要由當(dāng)前位置用傳感器(未圖示)來檢測原點(diǎn)位置的單元，但進(jìn)行了省略。本實(shí)施方式的差壓計29被設(shè)置在筒部件13 (參照圖1)的上端附近，以測定氣相空間10的壓力。此外，差壓計29可以測定再凝結(jié)室8內(nèi)的壓力。
[0045]蛇腹容器22的側(cè)壁22b呈蛇腹構(gòu)造，蛇腹容器22的下壁22c被固定于架臺17。此外，在蛇腹容器22的上壁22a的中央設(shè)置有開口部，通過將撓性管11連接于該開口部，從而使蛇腹容器22內(nèi)以氦氣體充滿。
[0046]在這種結(jié)構(gòu)中，若通過步進(jìn)電機(jī)24的旋轉(zhuǎn)而使螺母23b向下方移動且使平板25移動到下方，則通過將蛇腹容器22的上壁22a向下方按壓，從而使蛇腹容器22的容積變小。相反地，若通過步進(jìn)電機(jī)24的旋轉(zhuǎn)而使螺母23b向上方移動且使平板25移動到上方，則通過將蛇腹容器22的上壁22a拉向上方而使蛇腹容器22的容積變大。如此，通過增減蛇腹容器22的氣相容積，借助與蛇腹容器22連通的再凝結(jié)室8，使氣相空間10的氣相容積發(fā)生變動。此外，變動裝置21并不限定于由桿型螺栓23進(jìn)行直接傳動的結(jié)構(gòu)，也可以是通過桿等進(jìn)行圓弧運(yùn)動的結(jié)構(gòu)。
[0047]此外，如電路圖的圖3所示，氣相容積變動單元20具有驅(qū)動變動裝置21的驅(qū)動單元26。該驅(qū)動單元26具有:對差壓計29測定的測定信號進(jìn)行放大的放大器27 ;和使步進(jìn)電機(jī)24驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路28。此外，在放大器27中安裝了用于調(diào)整放大率的量程(volume)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路28使用放大器27的輸出信號作為相位信號來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，以使步進(jìn)電機(jī)24的旋轉(zhuǎn)成為與放大器27的輸出波形相符的旋轉(zhuǎn)角度。此外，也可以使用DC電機(jī)等其它類型的電機(jī)，以代替步進(jìn)電機(jī)24。此時，將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路28的輸出信號模擬化即可。
[0048]此外，驅(qū)動單元26也可以構(gòu)成為如圖4所示。也就是說，通過放大器27將差壓計29所測定的測定信號進(jìn)行放大，且通過電流放大器162對其進(jìn)行電流放大，輸出到DC電機(jī)163。由旋轉(zhuǎn)編碼器164來測定DC電機(jī)163的旋轉(zhuǎn)，并通過計數(shù)器165對來自旋轉(zhuǎn)編碼器164的脈沖進(jìn)行計數(shù)。通過D/A變換器166將所得到的計數(shù)值進(jìn)行模擬化，通過加法器(減法器)161取差，以形成負(fù)反饋。
[0049]如上所述，氣相容積變動單元20使氣相空間10的氣相容積變動，以消除氦槽2內(nèi)的壓力變動。在此，氦槽2內(nèi)的壓力變動是由制冷機(jī)5的液化循環(huán)所引起的。S卩，在由液化循環(huán)產(chǎn)生了冷凍時，氦氣體發(fā)生一定量的凝結(jié)而使氣相量減少，從而使氦槽2內(nèi)的壓力減少，另一方面，在由液化循環(huán)未產(chǎn)生冷凍時，液體氦氣化而使氣相量增加，從而使氦槽2內(nèi)的壓力上升。此外，通過這兩種狀態(tài)變化被反復(fù)，而使氦槽2內(nèi)的壓力周期性地不斷變化。
[0050]因此，氣相容積變動單元20在通過使氣相量減少而使氦槽2內(nèi)的壓力減少時，通過使蛇腹容器22的容積變小，從而使氣相空間10的氣相容積變小，以使氦槽2內(nèi)的壓力上升。另一方面，氣相容積變動單元20在通過使氣相量增加而使氦槽2內(nèi)的壓力上升時，通過使蛇腹容器22的容積變大，從而使氣相空間10的氣相容積變大，以使氦槽2內(nèi)的壓力減少。如此，通過使氣相空間10的氣相容積變動，來消除氦槽2內(nèi)的壓力變動。由此，能夠使由制冷機(jī)5引起的壓力變動降低。
[0051]此外，驅(qū)動單元2