JP2010245523A - 超伝導マグネット冷却の装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト削減及び／設計の簡略化を提供する。
【解決手段】超伝導マグネットアセンブリ（１００）にパルス動作型ヒートパイプ（１０）を熱的に接続させ、該パルス動作型ヒートパイプ（１０）に液体冷媒（４４）を追加する。超伝導マグネットアセンブリ（１００）は、コイル巻型（１０２）と、該コイル巻型（１０２）の周りに巻き付けた少なくとも１つの超伝導巻き線を備えると共に磁場を発生させるように構成された少なくとも１つの超伝導ソレノイドマグネットと、該少なくとも１つの超伝導ソレノイドマグネットと熱的に接続させた少なくとも１つのパルス動作型ヒートパイプ（１０）と、を含む。
【選択図】図２

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は幾つかの態様において、その内容全体を参照により本明細書に組み込むものとする同時に提出された整理番号２２６９１３−１で指定された本願の所有者が所有する「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＣＯＯＬＩＮＧ Ａ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＮＧ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＡＳＳＥＭＢＬＹ」と題する米国特許出願第１２／４１５，３５７号に関連する。

本発明は、全般的には超伝導マグネットの冷却に関し、またさらに詳細には超伝導マグネットアセンブリ及び超伝導マグネットアセンブリを冷却するための処理過程に関する。

様々なシステムは、その内部に対象（または、ＭＲＩシステムの場合では患者）を配置させる強力で均一な磁場を発生させるために超伝導マグネットを利用している。この際に、磁場傾斜コイルと無線周波数の送信及び受信コイルが対象内の磁気回転材料に影響を及ぼし、有用な画像の形成に使用できる信号を誘起させる。こうしたコイルを用いるシステムとしては、ＭＲＩシステム、分光システム、磁気エネルギー蓄積システム、及び超伝導発電機が含まれる。

超伝導マグネットは典型的には、動作時にマグネットを環境から隔絶させる熱シールド及び真空容器を含んだクライオスタット内に浸漬されている。超伝導マグネットはさらに、冷却のためにコールドマス及びヘリウム容器内に埋め込まれたコイル巻き線を支持するためのコイル支持構造を有する。ヘリウム容器は、熱的な隔絶のために真空容器の内部に配置させた圧力容器であって、典型的には超伝導動作のために概ね４．２ケルビンの温度を維持するために超伝導マグネットに対して冷却を提供する液体ヘリウムを包含している。

超伝導マグネットを利用するあらゆるシステムに関する主要なコストの１つは、ヘリウム冷媒の提供に関するものである。ヘリウムや同様の冷媒（例えば、ネオン）は、超伝導マグネットの初期始動及び動作のため並びに該マグネットのプール沸騰状態での維持のための両方のために必要となる。全ヘリウム浴は、熱力学的に効率がよいが超伝導マグネットアセンブリで利用したときに概ね１，５００〜２，０００リットルという比較的大量のヘリウムを必要とする。ヘリウムは単位体積あたり高価であり、常に容易に取得できるわけではなくかつそのコストが上昇しつつある。

米国特許出願第２００５０２５２２１９号

したがって、超伝導マグネットシステムに関する製造及び運転の両方に関するコストを削減しかつ／設計を簡略化することが目下の要請である。

本発明は、超伝導マグネットの冷却に必要となる冷媒量を低減させた超伝導マグネットアセンブリ並びにこうした超伝導マグネットアセンブリを冷却する方法を提供することによって上述の欠点のうちの少なくとも幾つかを克服している。より具体的には本発明は、パルス動作型の（ｐｕｌｓａｔｉｎｇ）ヒートパイプを利用し、これによりその設計及び組み上げを簡略化すると共に、必要な冷媒量が非常に少なくて済むようにした超伝導マグネットアセンブリを提供することを目的としている。

したがって本発明の一態様による超伝導マグネットアセンブリを冷却する方法は、パルス動作型ヒートパイプを超伝導マグネットアセンブリに熱的に接続する工程と、該パルス動作型ヒートパイプに液体冷媒を追加する工程と、を含む。

本発明の別の態様による超伝導マグネットアセンブリは、コイル巻型と、該コイル巻型の周りに巻き付けられかつ磁場を発生させるように構成された少なくとも１つの超伝導巻き線を備えた少なくとも１つの超伝導ソレノイドマグネットと、該少なくとも１つの超伝導ソレノイドマグネットと熱的に接続させた少なくとも１つの２相式熱伝達デバイスと、を含む。

本発明の別の様々な特徴及び利点については以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。

図面では、本発明を実施するために目下のところ企図されている一実施形態を図示している。

本発明の態様を組み込んだ超伝導マグネットアセンブリの概要図である。 本発明の一実施形態による超伝導マグネットアセンブリの部分的に切り開いた斜視図である。 図２の超伝導マグネットアセンブリの配管系の一部の上部断面図である。 図２の超伝導マグネットアセンブリの凝縮器領域の側面断面図である。 図２の超伝導マグネットアセンブリのコイル巻型の側面断面図である。

本発明の態様は、超伝導マグネットの冷却に関して従来の方法と比べて利点を提供することが分かった。本装置及び方法は超伝導マグネットを冷却する際に、機械的な可動部を必要としない（例えば、ポンプを必要とせず、外圧フィード式の供給システムを必要とせず、冷媒供給のために冷蔵「コールドボックス（ｃｏｌｄｂｏｘ）」を必要とせず、ヘリウムの缶フィード式フロー（ｃａｎ−ｆｅｄ ｆｌｏｗ）その他を必要としない）。本冷却方法は向きに依存せず、超伝導マグネットアセンブリの設計及び最終的な物理的体積やフットプリントにおいて支援となる。配管系を既存の超伝導マグネットの幾何学構造内に組み入れる設計が簡略化される。さらに、何らかのホットスポットが生ずることがあっても、本発明の態様で利用するパルス動作型ヒートパイプが提供する脈動性のスラグ流によって即座にこれを修復することが可能である。本設計によれば、費用がかさむヘリウム浴冷却を必要とせず、またクエンチ中に冷媒が全く失われることがないという別の利点も提供される。提唱した細管配管系は数百バールという高い圧力に耐えることが可能である。そのためにヘリウムリザーバは必要でない。ヘリウムリザーバ及びその冷媒ハウジングがないことは、準拠を要する安全面のすべてについて大幅に軽減されるという点において大きな簡略化となる。さらに、標準的なヘリウム容器に典型的な従来の垂直ネックまたは貫通幾何学構造がないため、マグネットに対する熱負荷が大幅に低減され最小化される。貫通またはアクセスポートはマグネットに対して大きな熱リークを生じさせることが知られている。改良型設計の望ましい成果は、マグネットの利用可能な常温ボア幅を増大できることである。さらに、ヘリウム容器を真空容器内に浮いた状態に保持するために必要な懸架システムもまた簡略化されかつ熱リークが減少する。最終的に超伝導マグネットシステムの冷却系が大幅に簡略化される。

図１及び２を参照すると、本発明の態様を組み込んだ超伝導マグネットアセンブリ１００の主要な構成要素を表している。超伝導マグネットアセンブリ１００は、磁場を発生させるように構成された超伝導マグネットを成すようにコイル巻型１０２（図２）と該コイル巻型１０２の周りに巻き付けた超伝導巻き線とを含むことがある。この超伝導マグネットには、２相式熱伝達デバイス（例えば、パルス動作型ヒートパイプ）１０を熱的に接続させている。パルス動作型ヒートパイプ１０は、超伝導マグネットアセンブリ１００に対して適当な冷却を提供するように設計されかつ構成されている。パルス動作型ヒートパイプ１０は、現在知られているあるいは今後開発されるであろう任意のパルス動作型ヒートパイプシステム１０を含むことができる。例えばパルス動作型ヒートパイプ１０は、配管系４０、凝縮器部分３０及び気化器部分２０を備えることがある。

超伝導マグネットアセンブリ１００は、１つまたは幾つかのマグネット巻型ポケットに巻き付けたソレノイドを含むことがある。マグネット（または、コイル）巻型は、ガラス繊維強化プラスチック、複合材料、金属（例えば、鋼鉄、アルミニウム、マグネシウム、その他）、セラミック類、またはこれらの組み合わせなど適当な任意の材料から製作されることがある。

パルス動作型ヒートパイプ１０（例えば、配管系４０）は、マグネットを先ず熱シールド温度の近くまで冷却することによって液体冷媒で部分的に満たされる。次いで配管系４０には室温から高圧気体が充填される。マグネットクライオクーラは配管系４０内に入る気体を対流式に液化しており、これにより配管系４０内の気体圧力が大幅に低下されると共に冷媒の液滴が生成される。配管系４０やその他のシステム構成要素にパルス動作型ヒートパイプ１０の役目をさせるために、冷媒で満たすのは配管系４０の全体体積未満とすることがある。したがって、配管系４０の体積の一部分が液体冷媒４４で満たされる一方、残りの部分は依然としてその内部に蒸気冷媒（例えば、冷媒バブル４６）を有している。この液体冷媒は、ヘリウム４、ヘリウム３、水素、ネオン、窒素、酸素、アルゴン、クリプトン、及びこれらの組み合わせのうちの１つを含むことがある。別の実施形態ではそのマグネットに使用される超伝導体の種類に応じて適当な別の冷媒が使用されることがある。パルス動作型ヒートパイプ１０の配管系４０部分内にある液体４４と蒸気４６の冷媒からなる様々な混合体は、超伝導マグネットアセンブリ１００から発生した熱の放散に役立つことが分かっている。例えばある種の実施形態では、配管系４０の総体積に対する液体冷媒の比を約１０％〜約９０％の範囲とすることができる。同様に別の実施形態では、配管系４０の総体積に対する液体冷媒の比を約３０％〜約７０％の範囲とすることができる。配管系４０の総体積の残余（すなわち、液体冷媒で満たされない部分）は蒸気冷媒（例えば、冷媒バブル４６）で満たされる。したがって、蒸気冷媒が配管系４０の総体積を満たす百分率は約９０％〜約１０％の範囲となることがある。別の実施形態では、配管系４０の総体積に対して蒸気冷媒を約７０％〜約３０％の範囲とすることができる。この方式では、液体冷媒と蒸気冷媒の混合体が超伝導マグネットアセンブリ１００を冷却する作用をする。

凝縮器部分３０に関しては様々な構成を利用することができる。凝縮器部分３０は、フィン付き熱交換フィン３２をその上に有する図２に示したようなクロスフロー熱交換器とすることがある。この熱交換器は銅や適当な別の材料から製作されることがある。凝縮器部分３０と配管系４０の間には直接的な熱的接触を存在させることがある。図４は、閉ループのパルス動作型ヒートパイプ１０とフィン３２をその上に有する凝縮器３０との間の界面を拡大図で表している。凝縮器部分３０に関しては超伝導マグネットアセンブリ１００の冷却を適当に提供できるような別の幾何学構成や向きを利用できることは明らかであろう。

同様に、気化器部分２０についても様々な構成を使用することができる。気化器部分２０は、図２に示すように、１つの単純なエポキシ製コイル巻型だけを必要とすることがある。このため、従来技術設計で使用されるような充填剤を用いて巻型の熱伝導率を上昇させることは必要でない。過去３０年にわたってエポキシ材料、複合材その他を開発するためにかなりの努力がなされてきたが、高熱伝導率充填剤を用いてもこれらの努力はコイル巻型の熱分散性能を上昇させるという限定された成果しか得られていない。さらに最近では、マグネット巻型内にヒートシンク材料を埋め込むことがある。こうした方式はすべてシステムのコストを増大させる一方、さらに重要なことにマグネット巻型上に応力を引き込むリスクを上昇させる。マグネット巻型はクラックを起こす可能性があり、またマグネットを急速に温度低下や温度上昇させるとこのクラック（複数のこともある）がさらに伝播する可能性がある。エポキシのクラックのために超伝導マグネットが不良となることもないわけではない。本発明の態様では、熱分散機構の必要性が全く排除される。

図１及び２には１つの単独の曲がりくねった閉鎖系パターンとして配管系４０を図示しているが、本発明の実施形態による配管系４０は多種多様な構成で配列させることが可能である。配管系４０は、閉ループ系でも開ループ系でも配列させることができる。図２では単独の２つの閉ループ系とした配管系４０を図示している。第１のパルス動作型ヒートパイプ１０はコイル巻型２０の位置やその近傍に構成させることがある一方、第２のパルス動作型ヒートパイプ１０はコイル巻型２０の内部ボアの位置やその近傍に構成させることがある。配管系４０は、単一の管４０からほぼ無限に多くの数の単独の管４０までの範囲で任意の数の個別の管４０（すなわち、細管）とすることがある。さらに、各管４０の幾何学構成は気化器から凝縮器まで延びる真っ直ぐな管４０から、複数の周回４２をその内部に有する配管系４０まで、様々とすることができる。配管系４０は、図１及び２に示すように、整然とした曲がりくねった水平な（あるいは、若干傾斜した）パターンで配列させることがある。これに対して、超伝導マグネットアセンブリ１００に対して依然として適当な冷却手段を提供する一方で、反復がなく、非対称かつ／または非平面性の配列で配管系４０を配列させることがある。本発明の態様の利点の１つは、配管系４０の幾何学構成及び配列が重力及び向きから全体として独立とし得ることである。換言すると、パルス動作型ヒートパイプ１０及び配管系４０の重力及び向きは、パルス動作型ヒートパイプ１０内の液体及び蒸気冷媒のフロー及び冷却性能に実質的に影響を与えないことが分かっている。配管系４０は例えば、実質的に水平、実質的に垂直、またはこれらの組み合わせとすることがある。いずれの場合にも配管系４０の幾何学構成は、配管系４０を熱的に接続させる相手の超伝導マグネットアセンブリ１００のボビン１０２やその他の要素に対してはめ込みかつ整合させるように適合させかつ配列させることがある。これによって、冷却機構が典型的には追加的な及び／または大きな設計空間を必要としないという点で超伝導マグネットアセンブリ１００全体の製造サイズ及び配列の柔軟性が上昇する。

超伝導マグネットアセンブリ１００の端部セクションを図５に表している。複数の配管系４０をコイル巻型の外周縁を実質的に取り囲むように表している。同様に複数の配管系４０がコイル巻型の内側コアを実質的に取り囲んでいる。この方式ではパルス動作型ヒートパイプ（複数のこともある）１０は、コイル巻型及び超伝導マグネットアセンブリ１００を全体的に有効に冷却することが可能である。図５はコイル巻型の軸に沿って実質的に長手方向に延びる配管系４０を表しているが、本発明の態様に従った配管系４０の別の構成も可能であることは明らかであろう。例えば図示したコイル巻型では配管系４０を、コイル巻型の周囲を巡るように（例えば、図５における配管系４０の進行方向と垂直に）延ばすことがある。

パルス動作型ヒートパイプ１０に関する全配管系４０の総体積は、超伝導マグネットアセンブリ１００のサイズ及び用途に応じて概ね１０ｍｌ〜概ね２リットルの範囲となることがある。配管系４０は、銅やその合金、アルミニウムやその合金、鋼鉄、その他など適当な任意の材料から製作されることがある。別法として配管系４０は、内部被覆の細管または成形式の配管系４０とすることがある。配管系４０の内径は概ね１ｍｍ〜概ね８ｍｍの範囲とすることがある。同様に配管系４０の直径は、配管系４０の全体長にわたって均一とする必要はないが、その長さ全体にわたって様々することもあり得る。例えば凝縮部分での配管系４０の直径は、冷媒のフロー速度を減速させるためにパルス動作型ヒートパイプ１０の別の部分より狭くさせることがある。同様に配管系４０の断面は正方形、矩形、長円形その他など別の形状とすることもあり得る。

超伝導マグネットアセンブリ１００を冷却する方法は、超伝導マグネットアセンブリ１００にパルス動作型ヒートパイプ１０を熱的に接続する工程を含む。配管系４０は先ず排気され、次いで本明細書で検討したように高圧力下で冷媒で部分的に満たされる。部分的に満たすことは、配管系４０の総体積のうちの約１０％〜約９０％を液体冷媒４４で満たすことを含む。配管系４０の残りの体積は蒸気冷媒（すなわち、バブル４６）を含むことがある。この方式では、作用流体（すなわち、冷媒）が配管系４０の長さ全体にわたって遠くにある液体プラグ４４及び蒸気バブル４６内まで自然に分配される。この方式ではパルス動作型ヒートパイプ１０内にある配管系４０の様々な管セクションは異なるボリュメトリック流体／蒸気分布を有する。パルス動作型ヒートパイプ１０を動作させるに連れて、気化器部分２０にある各配管系４０セクションは超伝導マグネットアセンブリ１００にこれが接近しているために加熱される。同様に、凝縮器部分３０にある各配管系４０セクションは冷却される。その結果、気化器領域内では蒸気冷媒バブル４６の発生及び／または成長が生じると共に、凝縮器部分３０内では崩壊及び／または収縮が起こる。蒸気バブル４６のサイズのこの変化は、バブルポンプ作用によって液体冷媒４４の搬送を付随的に生じさせ、これにより最終的にパルス動作型ヒートパイプ１０内部の顕熱伝達が得られる。熱誘導による自己励起性の振動が開始される。

冷却装置１０は本発明の態様に従って、蒸気バブル４６が凝縮器部分３０内でその潜熱全体を失いこれによりサイズが崩壊する機会が得られるように設計することができる。これには、凝縮器部分３０内の蒸気バブル４６の滞留時間が蒸気バブル４６を完全に凝縮させるのに十分であることが必要である。各蒸気バブル４６が担うエンタルピーは比較的わずかな量であり、より多くの蒸気バブル４６が次々と凝縮器部分３０内でその潜熱を失う機会を得ることによって、その効果が統合されて配管系４０内にそれが存在することにより生じることがある摩擦の不利益を上回ることができる。パルス動作型ヒートパイプ１０内には大きな顕熱伝達が得られるだけの十分な液体プラグ４４を存在させるべきである。

本発明の態様は、パルス動作型ヒートパイプ１０により熱抵抗が小さくかつ熱伝達がよいという目標を含む。本発明の態様によって、気化器部分２０上の熱負荷が増大するとパルス動作型ヒートパイプ１０の効率がこれに連れて増大することが分かった。典型的には一般的な（すなわち、非冷媒型の）パルス動作型ヒートパイプでは、効率を目的とすると３０％充填とする（すなわち、総体積の３０％を非冷媒型の液体冷却剤で満たす）ことが最適な充填である。

本発明の例示的な実施形態によれば超伝導マグネットアセンブリを超伝導動作させるために概ね４．２ケルビンまで冷却することが可能であるが、本発明の範囲を逸脱することなく４．２ケルビンではなく別の動作温度を利用することもできる。例えば、より高い遷移温度の超伝導体（例えば、ＨＴＳタイプやＭｇＢ２タイプ）を本発明の態様により冷却することが可能である。

本明細書に図示し説明した実施形態は磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムの一部となった超伝導マグネットアセンブリ１００と共に使用されることがあるが、本発明の範囲を逸脱することなく別の超伝導マグネットシステムによって本発明の態様を利用することもできる。例えば本冷却装置及び冷却方法は、核磁気共鳴分光システム、磁気エネルギー蓄積システム、超伝導発電機、超伝導限流器（ｆａｕｌｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｉｍｉｔｅｒ）、超伝導粒子加速器、磁気分離システム、搬送システム、超伝導ケーブル、変圧器、超伝導スーパーコンピュータ、宇宙及び航空用途、その他など別の超伝導マグネットと共に使用することができる。

したがって本発明の一実施形態による超伝導マグネットアセンブリを冷却する方法は、パルス動作型ヒートパイプを超伝導マグネットアセンブリに熱的に接続する工程と、該パルス動作型ヒートパイプに液体冷媒を追加する工程と、を含む。

本発明の別の実施形態による超伝導マグネットアセンブリは、コイル巻型と、該コイル巻型の周りに巻き付けられかつ磁場を発生させるように構成された少なくとも１つの超伝導巻き線を備えた少なくとも１つの超伝導ソレノイドマグネットと、該少なくとも１つの超伝導ソレノイドマグネットと熱的に接続させた少なくとも１つの２相式熱伝達デバイスと、を含む。

本発明を好ましい実施形態に関して記載してきたが、明示的に記述した以外に等価、代替及び修正が可能であり、これらも添付の特許請求の範囲の域内にあることを理解されたい。

１０ ２相式熱伝達デバイス／パルス動作型ヒートパイプ
２０ 気化器部分
３０ 凝縮器部分
３２ フィン付き熱交換フィン
４０ 配管系
４２ 周回
４４ 液体冷媒
４６ 冷媒バブル
１００ 超伝導マグネットアセンブリ
１０２ コイル巻型

Claims (10)

1. 超伝導マグネットアセンブリ（１００）を冷却する方法であって、
   超伝導マグネットアセンブリ（１００）に少なくとも１つのパルス動作型ヒートパイプ（１０）を熱的に接続する工程と、
   前記少なくとも１つのパルス動作型ヒートパイプ（１０）に液体冷媒（４４）を追加する工程と、
   を含む方法。
2. 前記液体冷媒（４４）は、ヘリウム４、ヘリウム３、水素、ネオン、窒素、酸素、アルゴン、クリプトン、及びこれらの組み合わせのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記液体冷媒（４４）は、少なくとも１つのパルス動作型ヒートパイプ（１０）の総体積を約１０％〜約９０％の百分率で満たしている、請求項１に記載の方法。
4. 前記液体冷媒（４４）はさらに、少なくとも１つのパルス動作型ヒートパイプ（１０）の総体積を約３０％〜約７０％の百分率で満たしている、請求項３に記載の方法。
5. 前記超伝導マグネットアセンブリ（１００）は、核磁気共鳴分光システム、磁気エネルギー蓄積システム、超伝導発電機、超伝導限流器、超伝導粒子加速器、磁気分離システム、搬送システム、超伝導ケーブル、変圧器、及び超伝導スーパーコンピュータのうちの１つで使用するように構成されている、請求項１に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つのパルス動作型ヒートパイプ（１０）は超伝導マグネットアセンブリ（１００）のエポキシ構造（１０２）内に埋め込まれている、請求項１に記載の方法。
7. コイル巻型（１０２）と、
   前記コイル巻型（１０２）の周りに巻き付けた少なくとも１つの超伝導巻き線を備えると共に磁場を発生させるように構成された少なくとも１つの超伝導ソレノイドマグネットと、
   前記少なくとも１つの超伝導ソレノイドマグネットと熱的に接続させた少なくとも１つの２相式熱伝達デバイス（１０）と、
   を備える超伝導マグネットアセンブリ（１００）。
8. 前記コイル巻型（１０２）は熱伝導性材料からなる、請求項７に記載の超伝導マグネットアセンブリ（１００）。
9. 前記少なくとも１つの２相式熱伝達デバイス（１０）は、配管系（４０）及び凝縮器（３０）を備えた少なくとも１つのパルス動作型ヒートパイプ（１０）を含む、請求項７に記載の超伝導マグネットアセンブリ（１００）。
10. 前記少なくとも１つの２相式熱伝達デバイス（１０）内の冷媒（４４、４６）の総体積は概ね１０ミリリットル〜概ね２リットルの範囲にある、請求項７に記載の超伝導マグネットアセンブリ（１００）。

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