JP2009516381A - 超伝導磁石システム - Google Patents

Abstract

【課題】周期的に極低温流体を補充する必要がなく、既存のシステムと比較して停電または不具合の影響を受けにくいシステムを提供する。
【解決手段】超伝導磁石システムは、外側の真空容器２を有し、かつ液体ヘリウムを入れる環状リザーバ４の中に超伝導磁石３を収容する、環状の極低温容器１を含んでいる。極低温クーラー５は、リザーバ４を取り囲んでいる真空空間の中にある熱遮蔽体６に熱連結部９で結合されている第１段階７と、リザーバ４から蒸発するヘリウム・ガスを再凝縮する第２段階８とを有している。慣性遮蔽体１１が、リザーバ４と熱遮蔽体６との間に設けられており、リザーバ４から流出するヘリウム・ガスが、熱遮蔽体６から慣性遮蔽体１１に伝達される熱を運び去り、その結果、熱慣性遮蔽体１１の暖まる速度を低下させるような位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導磁石システムに関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、およびフーリエ変換質量分光（ＦＴＭＳ）で使用されているような超伝導磁石システムは、システムを所要の極低温に保持するために、極低温流体を含む極低温容器を組み込んでいる。通常、このようなシステム用の超伝導磁石は、低温超伝導線材（ワイヤ）を用いて巻かれており、この低温超伝導線材は、その動作温度を、所要の動作電流および磁場強度におけるその超伝導線材の臨界温度をかなり下回る温度に保持する必要がある。従来、極低温流体は、大気圧において温度４．２Ｋで沸騰する液体ヘリウムであり、外部環境からの極低温容器の内部リザーバへの熱負荷は、液体窒素容器を用いて最小にされる場合が多く、この液体窒素容器は、内部リザーバを囲んでいる第１段階の熱遮蔽体を温度７７Ｋ（大気圧における液体窒素の沸点）近傍に保持して、内部リザーバに到達する前に熱負荷の大部分を遮断する。内部リザーバの温度は蒸発冷却により保持され、すなわち、熱負荷は液体ヘリウムを沸騰させる。同じことが、周囲の熱遮蔽体に接続された液体窒素容器について言える。したがって、内部リザーバ内の液体ヘリウム、および液体窒素容器内の液体窒素を、所定の期間後に、すなわち、通常、液体ヘリウムに関しては数ヶ月後に、および液体窒素に関しては数週間後に、詰め替えるまたは補充する必要がある。さらに、第１段階の熱遮蔽体と内部リザーバとの間に二次熱遮蔽体が配置されることが一般的であり、この二次熱遮蔽体は、内部リザーバから蒸発するヘリウム・ガスのエンタルピーを用いて、通常、４０Ｋ〜５０Ｋの温度範囲に冷却されている。

現在では、内部リザーバの中から蒸発するヘリウム・ガスを、第２段階の密閉サイクル極低温クーラーを用いて、そのまま再液化することができる技術が存在する。同時に、極低温クーラーの冷却力は、内部リザーバを取り囲んでいる熱遮蔽体の温度を、７７Ｋをかなり下回る、通常、４０Ｋ〜５０Ｋの範囲に冷却するために十分である。この技術を使用すると、既存システムで要求されるような間隔で液体ヘリウムおよび液体窒素を補充する必要がなくなり、多くの利用者にとって明確な利点となる。

しかしながら、極低温クーラーの使用における１つの重大な欠点は、停電または極低温クーラーの不具合の場合に、冷却が停止することである。極低温クーラーのコールド・ヘッドは冷却源として働く代わりに、外部環境から内部リザーバへの著しい熱経路を提供する。結果として、内部リザーバ内のヘリウムは急速に沸騰し、磁石がむき出しになると、磁石が暖まり始めることになる。これが起こると、磁石は、もはや安定ではなくなり、ついには、クエンチングを引き起こし、すなわち、磁石は超伝導状態から通常の状態に戻るであろう。内部リザーバ内にヘリウムが存在しないとき、磁石に蓄積されたエネルギーのすべてが磁石自体に向かって放出されるであろう。これが生じるより先に、極低温クーラーを再起動することができないとき、内部リザーバを補充しなければならないか、または、このようなクエンチング・ステップにおける磁石の損傷の可能性を回避するために、磁石の電源を切らなければならないであろう。

下記特許文献１ないし４は、それぞれ、内部リザーバを取り囲んでおり、かつ通常運転時に内部リザーバの熱負荷を減少させるために極低温クーラーで冷却される熱遮蔽体を利用する極低温システムを開示している。しかしながら、これらの文献のいずれも、停電または極低温クーラーの不具合の場合の上述した問題に対する解決法を提供していない。
欧州特許出願公開第１５５７６２４号明細書 欧州特許出願公開第１６１９４３９号明細書 欧州特許出願公開第１５６００３５号明細書 米国特許第５，１４４，８１０号明細書

本発明の目的は、周期的に極低温流体を補充する必要がなく、上述したような停電または不具合の影響を受けにくい超伝導磁石システムを提供することである。

本発明に基づいて、
超伝導磁石と、
内部において、前記磁石が極低温流体中に収容される内部リザーバと、
通常運転時に、前記リザーバから蒸発した極低温流体を凝縮し、前記凝縮された極低温流体を前記リザーバに戻す極低温クーラーと、
前記内部リザーバを取り囲んでおり、かつ通常運転時に前記内部リザーバの熱負荷を減少させるために前記極低温クーラーで冷却される熱遮蔽体とを含み、
前記熱遮蔽体に加えて、慣性遮蔽体が前記内部リザーバを取り囲んでおり、前記慣性遮蔽体は、停電または不具合が原因で前記極低温クーラーの通常運転が損われる場合には、前記内部リザーバの前記熱負荷を減少させるために前記リザーバから蒸発した極低温流体で冷却されるように配置されている、超伝導磁石システムが提供されている。

したがって、本発明に基づくシステムでは、このような停電または不具合状態において内部リザーバの熱負荷を減少させるために、慣性遮蔽体は、従来の蒸発冷却型の超伝導磁石システムで使用されているような二次熱遮蔽体と同じように内部リザーバの周囲に配置されている。しかしながら、蒸発冷却型のシステムで使用されている二次熱遮蔽体と対照的に、慣性遮蔽体は、通常運転では、その遮蔽体を冷却するために利用可能な蒸発した極低温流体がないため、冷却されておらず、したがって、慣性遮蔽体はシステムの通常運転時には冗長である。第１段階の熱遮蔽体は、通常運転モードでは通常４０Ｋ〜５０Ｋの温度であるため、第１段階の熱遮蔽体に加えてガス冷却型の遮蔽体を含む際には、通常、実質的な利益はないであろう。慣性遮蔽体が内部リザーバから蒸発した極低温流体により冷却されて、内部リザーバの熱負荷を大幅に減少させるように働くのは、停電または不具合が発生して、極低温クーラーが流体の冷却を停止したことが原因で、極低温流体が沸騰し始めたときだけである。

その結果、停電または不具合による内部リザーバから極低温流体が沸騰流出する速度が大幅に低下するとともに、磁石がむき出しになるまでの時間が大幅に伸びる。この効果がどれくらい大きいかについての詳細は、正確な構成（幾何学的形状、極低温クーラーの構成、コールド・ヘッドの種類など）に依存する。最大の効果の１つは、この状況における放射負荷の低減の結果であるといえる。通常運転では熱遮蔽体を冷却している極低温クーラーのコールド・ヘッドの第１段階が急速に暖まり、その結果、それが熱的に連結している熱遮蔽体もまた暖まる。放射は絶対温度の４乗に対応するため、この温度が約７５Ｋ〜８０Ｋに到達すると、内部リザーバの放射熱負荷は、通常４０Ｋ〜５０Ｋの温度であるガス冷却型の慣性遮蔽体の存在により、桁違いに減少する。本発明のいくつかの実用的な実施態様に対する計算および実験は、介入が必要とされるまでの時間である「安全」時間を、約２日間から１週間以上にまで延長する効果があることを示している。この相違により、極低温クーラーの不具合が２日間未満の持続時間内に是正できない可能性がある場所または期間（例えば、予備部品を入手できない、ヘリウム補給を利用できない、短時間でサービス技術員に連絡ができない、頻繁に起こる停電、または作業員の休暇／休業期間のために、間に合うように不具合を処置することができないなど）において、この技術は十分に実用的な意味を持つ。

また、本発明は、
極低温流体により冷却されるように、超伝導磁石が収容されている内部リザーバに前記極低温流体を供給するステップと、
前記磁石に超伝導電流の流れを起こすために前記磁石に電流を供給するステップと、
前記磁石に前記超伝導電流の流れが持続している状態で、前記磁石に対する電流の前記供給を停止するステップと、
極低温クーラーの通常運転時に、前記内部リザーバから蒸発した極低温流体を前記極低温クーラーを用いて凝縮し、前記凝縮された極低温流体を前記内部リザーバに戻すステップと、
通常運転時に前記内部リザーバの熱負荷を減少させるために、前記内部リザーバを取り囲んでいる熱遮蔽体を前記極低温クーラーを用いて冷却するステップと、
前記極低温クーラーの前記通常運転を損なう停電または不具合が生じた場合に、前記内部リザーバの前記熱負荷を減少させるために、前記内部リザーバを取り囲んでいる慣性遮蔽体を前記リザーバから蒸発した極低温流体で冷却するステップとを含む、超伝導磁石を極低温に冷却する方法を提供する。

本発明をより十分に理解することができるように、ここで、本発明に基づく超伝導磁石システムのいくつかの実施形態が、例として、添付図面を参照しながら説明されるであろう。

図１の超伝導磁石システムは、垂直に配置された磁石軸を有する、高磁場ＮＭＲ分光用の垂直システムである。しかしながら、同様のシステムを他の用途に使用してもよいことがよく理解されるであろう。
図１を参照して、超伝導磁石システムは、外側の真空容器２を有し、かつマグネット・コイル（詳細には図示せず）を含む超伝導磁石３を収納している、環状の極低温容器１（軸方向断面で示されており、互いに対して角度が１２０度ずれた（オフセットされた）２つの対向する部分だけが図面に示されている）を含んでいる。磁石３は、標準気圧において約４．２Ｋで沸騰する液体ヘリウムを収容するためのステンレス・スチール製の環状のリザーバ４内の内部チャンバの中に収容されており、磁石３およびリザーバ４は、２つの付加的なネック１３を用いて外部真空容器２の上壁から吊るされている。

超伝導磁石システムの動作の中心となるのは、リザーバ４の上端部に接続され、極低温の冷却力を提供するために働く極低温クーラー５（この具体的な実施形態では、パルス・チューブ極低温冷却機である）である。このような極低温クーラー５またはパルス・チューブ冷却機は、関連装置を冷却するのに機械的に使用することができる第１段階７と、リザーバ４から蒸発するヘリウム・ガスを再凝縮する第２段階８とを有している。具体的には、第１の実施形態で使用される極低温クーラー５は、約５０Ｋの温度での第１段階７において２０ワットの冷却力を生じ、約４Ｋの温度での第２段階８において利用可能な、さらなる０．５ワットの冷却力を生じる。極低温クーラー５の第１段階７は、リザーバ４を取り囲んでいる真空空間の中にある高伝導性アルミニウム製の中実の熱遮蔽体（シールド）６に熱連結部（リンク）９で結合されている。この熱遮蔽体６は、もしも遮断しなければリザーバ４からのヘリウムの非常に大きな減少を引き起こす原因となるであろう、外部真空容器２からの放射および伝導による熱負荷を遮断する。次いで、極低温クーラー５の第２段階８は、リザーバ４から蒸発するヘリウム・ガスを再凝縮させることにより、ヘリウム消費量をゼロに抑える。第２段階８には、蒸気凝縮器（コンデンサ）１０が取り付けられており、この蒸気凝縮器１０は、第２段階８の表面領域に延び、蒸発ガスの効率的な液化をもたらす多孔質の金属ブロックである。

特別な手段が講じられないとき、このような遮蔽体６は、停電の場合、もはや極低温クーラー５により冷却されないために急速に暖まり、リザーバ４に熱を放射して、液体ヘリウムのすべてを蒸発させるであろう。このヘリウムの減少速度を低下させるために、液体ヘリウム・リザーバ４と関連する何らかの熱慣性を導入して、これが暖まるのに長時間を要するようにする必要がある。残念ながら、ほとんどの物質は、極低温においてこの特性を有していない。この特性を有する１つの物質は、リザーバ４自体からの低温の蒸発ヘリウム・ガスである。したがって、図１の実施形態では、熱連結部１２を備えた慣性遮蔽体１１がリザーバ４と熱遮蔽体６との間に設けられており、停電、または極低温クーラー５に不具合が生じた場合にリザーバ４から流出するヘリウム・ガスが、熱遮蔽体６から慣性遮蔽体１１に伝達される熱の多くを運び去り、その結果、このような場合に熱慣性遮蔽体１１の暖まる速度を低下させるような位置に配置されている。

極低温クーラー５の通常運転では、慣性遮蔽体１１を冷却するためにリザーバ４からの流出ガスはないであろうということ、および慣性遮蔽体１１は、極低温クーラーが冷却機能をもはや実行せず、システムが暖まりつつある非平衡条件下でのみ、有効になることが理解されるであろう。
極低温クーラーが下方に向けて嵌合するネックに加えて、磁石３およびリザーバ４を支持するネック１３は、リザーバへの伝導による入熱を減少させるために、様々な低温放射遮蔽体（シールド）（すなわち、熱遮蔽体６、慣性遮蔽体１１、およびリザーバ壁を形成する他の遮蔽体など）に熱的に連結されている。さらに、外側の真空容器２の上壁を貫通するこれらのネック１３は、磁石３への電流導線（リード線）（図示せず）を、内部リザーバ４中の液体ヘリウムのレベル・モニタ（液面監視機）への導線を含む他の電気接続導線とともに、容器１の中に挿入できるようにする供給通路を規定する。

図２の超伝導磁石システムは、水平に配置された磁石軸を有する、高磁場ＭＲＩ分光用の水平システムである。しかしながら、同様のシステムを他の用途に使用してもよいことがよく理解されるであろう。この図面では、同様の部分は、図１と同じ参照番号にプライムを付けて示されている。
図２を参照して、超伝導磁石システムは、外部真空容器２’を有し、かつ超伝導磁石３’を収納している、環状の極低温容器１’（軸方向断面で示されており、互いに対して角度が１８０度ずれた２つの対向する部分だけが図面に示されている）を含んでいる。磁石３’は、液体ヘリウムを収容するためのステンレス・スチール製の環状のリザーバ４’内の内部チャンバの中に収容されており、磁石３’およびリザーバ４’は、高張力ＧＲＰロッド（図示せず）を用いて外部真空容器２’の上壁から吊るされている。

リザーバ４’の上端部に接続された極低温クーラー５’（この具体的な実施形態では、パルス・チューブ極低温冷却機である）は、関連装置を冷却するのに機械的に使用することができる第１段階７’と、リザーバ４’から蒸発するヘリウム・ガスを再凝縮する第２段階８’とを含んでいる。具体的には、この実施形態で使用される極低温クーラー５’は、約５０Ｋの温度での第１段階７’において４０〜５０ワットの冷却力を生じ、約４Ｋの温度での第２段階８’において利用可能な、さらなる１〜２ワットの冷却力を生じる。極低温クーラー５’の第１段階７’は、リザーバ４’を取り囲んでいる真空空間の中にある高伝導性アルミニウム製の中実の熱遮蔽体６’に熱連結部９’で連結されている。次いで、極低温クーラー５’の第２段階８’は、リザーバ４’から蒸発するヘリウム・ガスを再凝縮させることにより、ヘリウム消費量をゼロに抑える。第２段階８’には、蒸気凝縮器１０’が取り付けられている。

図１の実施形態と同様に、熱連結部１２’を備えた慣性遮蔽体１１’が、リザーバ４’と熱遮蔽体６’との間に設けられており、停電または極低温クーラー５’に不具合が生じた場合にリザーバ４’から流出するヘリウム・ガスが、熱遮蔽体６’から慣性遮蔽体１１’に伝達される熱を運び去り、その結果、このような場合に熱慣性遮蔽体１１’の暖まる速度を低下させるような位置に配置されている。

その結果、停電または不具合により内部リザーバからヘリウムが沸騰流出する速度が大幅に低下するとともに、磁石がむき出しになるまでの時間が大幅に伸びる。

第１の実施形態の模式図である。 第２の実施形態の模式図である。

Claims (12)

1. 超伝導磁石と、
   内部において、前記磁石が極低温流体中に収容される内部リザーバと、
   通常運転時に、前記リザーバから蒸発した極低温流体を凝縮し、前記凝縮された極低温流体を前記リザーバに戻す極低温クーラーと、
   前記内部リザーバを取り囲んでおり、かつ通常運転時に前記内部リザーバの熱負荷を減少させるために前記極低温クーラーで冷却される熱遮蔽体とを含み、
   前記熱遮蔽体に加えて、慣性遮蔽体が前記内部リザーバを取り囲んでおり、前記慣性遮蔽体は、停電または不具合が原因で前記極低温クーラーの通常運転が損われている場合には、前記内部リザーバの前記熱負荷を減少させるために前記内部リザーバから蒸発した極低温流体で冷却されるように配置されている、超伝導磁石システム。
2. 前記極低温流体がヘリウムである、請求項１に記載の超伝導磁石システム。
3. 極低温流体を前記内部リザーバに供給し、次いで前記内部リザーバへの極低温流体の供給を停止する極低温流体供給手段をさらに含む、請求項１または２に記載の超伝導磁石システム。
4. 前記磁石に超伝導電流の流れを起こすために、供給通路によって前記磁石に電流を供給し、前記磁石で前記超伝導電流の流れが持続している状態で、前記磁石に対する電流の前記供給をその後停止する電流供給手段をさらに含む、請求項１、２、または３に記載の超伝導磁石システム。
5. 前記極低温クーラーが、前記熱遮蔽体に熱的に結合された第１段階と、前記内部リザーバから蒸発した極低温流体を凝縮し、前記凝縮された極低温流体を前記内部リザーバに戻す第２段階とを含む、請求項１ないし４のいずれか１項
   に記載の超伝導磁石システム。
6. 前記極低温クーラーが、前記内部リザーバの近傍の蒸気凝縮器を含む、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の超伝導磁石システム。
7. 前記慣性遮蔽体が、前記内部リザーバと前記熱遮蔽体との間の環状空間内に配置されている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の超伝導磁石システム。
8. 前記極低温クーラーが、前記内部リザーバの上方に配置されている、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の超伝導磁石システム。
9. 供給用ネックが、前記内部リザーバへの極低温流体の供給のために、当該システムの外側のケーシングを貫通して延びている、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の超伝導磁石システム。
10. 前記磁石は、環状であってかつ前記磁石の軸が水平極低温容器の中で水平になるように配置されている、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の超伝導磁石システム。
11. 前記磁石は、環状であってかつ前記磁石の軸が垂直極低温容器の中で垂直になるように配置されている、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の超伝導磁石システム。
12. 超伝導磁石を極低温に冷却する方法であって、
    極低温流体により冷却されるように、前記磁石が収容されている内部リザーバに前記極低温流体を供給するステップと、
    前記磁石に超伝導電流の流れを起こすために前記磁石に電流を供給するステップと、
    前記磁石で前記超伝導電流の流れが持続している状態で、前記磁石に対する電流の前記供給を停止するステップと、
    極低温クーラーの通常運転時に、前記内部リザーバから蒸発した極低温流体を前記極低温クーラーを用いて凝縮し、前記凝縮された極低温流体を前記内部リザーバに戻すステップと、
    通常運転時に前記内部リザーバの熱負荷を減少させるために、前記内部リザーバを取り囲んでいる熱遮蔽体を前記極低温クーラーを用いて冷却するステップと、
    前記極低温クーラーの前記通常運転を損なう停電または不具合が生じた場合に、前記内部リザーバの前記熱負荷を減少させるために、前記内部リザーバを取り囲んでいる慣性遮蔽体を前記リザーバから蒸発した極低温流体で冷却するステップとを含む方法。