JP2022525524A - 持続電流スイッチの温度を制御するためのシステム - Google Patents

Abstract

背景磁場内で作動している持続電流スイッチ１２０の温度を制御するためのシステム１００は、熱交換器１３８と、ループ管１３５と、ボール弁２４５と、複数の電磁石２５１、２５２とを含む。熱交換器は、熱を冷凍機１０６に分散させる。ループ管は、冷却剤の流れが、持続電流スイッチによって生成された熱エネルギーを熱交換器に対流により移動させることを可能にする。ボール弁は、持続電流スイッチと熱交換器との間でループ管と一体化されており、強磁性ボール２５０を含む。電磁石は、ボール弁の近くでループ管の外に位置決めされ、複数の電磁石のうちの第１の電磁石を通電することで、強磁性ボールを第１の位置に磁気により移動させ、ループ管を開放し、冷却剤の流れを可能にし、また第２の電磁石を通電することで、強磁性ボールを第２の位置に磁気により移動させ、ループ管を閉鎖し、冷却剤の流れを阻止する。

Description

[0001] 超伝導磁石は、例えば磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）及び核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計などの強力な磁場を必要とするシステムで使用される。超伝導を実現するためには、磁石は、超伝導ワイヤによって形成された１つ又は複数の導電性コイルを含み、作動中、絶対ゼロ付近の温度で極低温環境に維持される。超伝導状態では、導電性コイルは超伝導コイルと呼ばれ、これは、事実上電気抵抗を持たず、それ故、より大きな電流を伝えて強力な磁場を形成する。超伝導磁石の超伝導状態での作動は、持続電流モードと呼ばれる。すなわち持続電流モードは、電気回路（例えば、超伝導コイルを含む）が、実質的に無限に、かつ電気抵抗がないことにより外部の動力を必要とせずに電流を保持することができる状態である。

[0002] 持続電流モードで作動するために、超伝導磁石は、超伝導ループを備えた閉鎖した超伝導回路を提供する。この回路は、電源が電流をコイルの中へと推し進めることを可能にするために遮断される。回路を遮断することは典型的には、超伝導ループの特定の区画をウォームアップすることを含み、その結果、超伝導ループが、電気抵抗を作り出す。超伝導状態と通常の（非超伝導）抵抗との間の切り替えに関与する超伝導回路の構成要素は、磁石持続電流スイッチ（ＰＣＳ）と呼ばれる。電源がＰＣＳの両端に接続されるとき、電流の大半はコイルの中へと流れ、少量の電流のみがＰＣＳのこのとき抵抗性のワイヤを通って流る。ＰＣＳの開放と、ＰＣＳの両端にわたる電圧の付加の２つの動作によってＰＣＳは熱を生成する。低温冷却システム（クライオスタット）も超伝導コイルを冷却するが、冷却システムが、そのような熱を吸収する又は取り去るのに制限された能力しか持たない場合、ＰＣＳによって生成された追加の熱には対処することができない。これは、いわゆる冷寒剤のない場合、又は密閉されたシステムの場合であり、これらは、ＰＣＢが冷却能力システムから熱的に切り離されることを要求する一方、磁石は通電又は電気的に切断される。

[0003] したがって、超伝導コイルのために冷却システムを酷使することなく、数秒の間に、所望されるように磁石ＰＣＳの温度が上昇させたり下降させたりことを可能にする冷却システムに対する要望がある。

[0004] 代表的な一実施形態によると、背景磁場内で作動している持続電流スイッチの温度を制御するためのシステムは、熱交換器と、ループ管と、熱スイッチとを含む。熱交換器は、熱を消散させるように構成される。ループ管は、冷却剤の流れが、持続電流スイッチによって生成された熱エネルギーを熱交換器に対流により移動させることを可能にするように構成される。熱スイッチは、持続電流スイッチと熱交換器との間でループ管と一体化されたボール弁であって、ループ管の開口の内径又はループ管の開口に隣接するボール弁内のオリフィスより大きな直径を有する強磁性ボールを含むボール弁と、ボール弁に近接するループ管の外に位置決めされた複数の電磁石とを含む。複数の電磁石のうちの第１の電磁石を通電することは、強磁性ボールを磁気によりループ管の第１の位置に移動させ、ループ管を開放し、冷却剤の流れを可能にする。複数の電磁石のうちの第２の電磁石を通電することは、強磁性ボールを磁気によりループ管の第２の位置に移動させ、ループ管を閉鎖し、冷却剤の流れを阻止する。システムが作動している背景磁場が、その機能を妨害する。したがって、システムは、通電されたとき、強磁性ボールに対するいかなる磁力にも打ち勝つために、背景磁場が電磁石にとって十分に小さい、背景磁場の特定領域に配置される。或いは、又は追加で、システムの位置及び／又は背景磁場からの保護の他の手段の位置が不適切である場合、任意選択の強磁性シールドがボール弁及び電磁石の周りに設置される場合もある。

[0005] 別の代表的な一実施形態によると、冷凍機との熱接触において持続電流スイッチの熱エネルギーの熱交換器への移動を制御するためのシステムが提供される。システムは、持続電流スイッチと熱交換器との間に位置決めされ、冷却剤が選択的に中を通って流れるループ管と、持続電流スイッチと熱交換器との間でループ管の第１の部分にある第１のボール弁であって、第１の強磁性ボールと、ループ管の第１の部分の第１の開口に隣接する第１のオリフィスと、第１のオリフィスに隣接する第１のノッチとを含む第１のボール弁と、持続電流スイッチと熱交換器との間でループ管の第２の部分にある第２のボール弁であって、第２の強磁性ボールと、ループ管の第２の部分の第２の開口に隣接する第２のオリフィスと、第２のオリフィスに隣接する第２のノッチとを含む第２のボール弁と、第１のボール弁に隣接するループ管の第１の部分の外に位置決めされた第１のソレノイド及び第２のソレノイドと、第２のボール弁に隣接するループ管の第２の部分の外に位置決めされた第３のソレノイド及び第４のソレノイドとを含む。第１及び第２のソレノイドに通電することによって、第１及び第２の強磁性ボールが第１及び第２のノッチにそれぞれ移動し、ループ管の第１及び第２の部分を開放するように、冷却剤が、ループ管の中を通って流れることが可能である。第２及び第４のソレノイドに通電することによって第１及び第２の強磁性ボールが第１及び第２のオリフィスにそれぞれ移動し、ループ管の第１及び第２の部分を閉鎖して、冷却剤がループ管を通って流れるのを阻止される。

[0006] 別の代表的な一実施形態によると、冷凍機との熱接触において背景磁場内で作動している持続電流スイッチの熱エネルギーの熱交換器への移動を制御するためのシステムが提供される。システムは、持続電流スイッチと熱交換器との間に位置決めされ、冷却剤が選択的に中を通って流れるループ管と、持続電流スイッチと熱交換器との間でループ管内のボール弁であって、ループ管の内径又はループ管の開口に隣接するオリフィスの内径より大きな直径を有する強磁性ボールを中に含むボール弁と、ボール弁の第１の側の近くでループ管の外に位置決めされた第１のソレノイドと、ボール弁の第２の側の近くでループ管の外に位置決めされた第２のソレノイドとを含む。ループ管は、ボール弁の第１の側へと部分的に延びる、強磁性材料で形成された第１の端部部分と、ボール弁の第２の側へと部分的に延びる、強磁性材料で形成された第２の端部部分とを含み、第１の端部部分は、ボール弁の中に位置する第１の端部部分の側壁に１つ又は複数の貫通穴を画定する。第１の端部部分及び第２の端部部分は、第１のソレノイド及び第２ソレノイドが通電されないとき、背景磁場によって磁化される。第１のソレノイドを通電することは、第１の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させ、強磁性ボールを磁化された第２の端部部分に移動させ、ループ管の開口を覆い、冷却剤の流れを阻止する。第２のソレノイドを通電することは、第２の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させ、強磁性ボールを磁化された第１の端部部分に移動させ、ループ管の別の開口を覆い、複数の貫通穴を通る冷却剤の流れを可能にする。

[0007] 一例の実施形態は、添付の図面と併せて読むことで、以下の詳細な記載から最適に理解される。種々の特徴は、必ずしも縮尺通りに描かれていないことが強調される。実際、寸法は、考察を明確にするために、自由裁量によって増減される場合がある。適用可能かつ実践的であるならば、同様の数字は、同様の要素を指す。

[0008] 代表的な一実施形態による、超伝導磁石システムの簡素化されたブロック図である。 [0009] 代表的な一実施形態による、開放位置にある超伝導磁石システムの冷却ループにおける熱スイッチの簡素化された断面図である。 [0010] 代表的な一実施形態による、閉鎖位置にある超伝導磁石システムの冷却ループにおける熱スイッチの簡素化された断面図である。 [0011] 別の代表的な一実施形態による、開放位置にある超伝導磁石システムの冷却ループにおける熱スイッチの簡素化された断面図である。 [0012] 別の代表的な一実施形態による、閉鎖位置にある超伝導磁石システムの冷却ループにおける熱スイッチの簡素化された断面図である。 [0013] 代表的な一実施形態による、超伝導磁石システムの簡素化されたブロック図である。 [0014] 代表的な一実施形態による、超伝導磁石システムの作動に関する簡素化された状態フロー図である。

[0015] 以下の詳細な記載では、説明の目的のためであり、限定する目的ではなく、特有の詳細を開示する代表的な実施形態は、本教示による一実施形態の完全な理解を提供するために記載されている。既知のシステム、デバイス、材料、作動の方法及び製造の方法の記載は、代表的な実施形態の記載を不明瞭にすることを避けるために省略される場合がある。それにも関わらず、当業者の理解の範囲内にあるシステム、デバイス、材料及び方法は、本教示の範囲内にあり、代表的な実施形態に従って使用される。本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を記述するのみの目的であり、限定することは意図されていないことを理解されたい。定義される用語は、一般的に理解され本教示の技術分野において容認されるような定義される用語の技術的及び科学的意味を補うものである。

[0016] 用語第１の、第２の、第３のなどは、様々な要素又は構成要素を記述するために本明細書で使用されるが、このような要素又は構成要素は、これらの用語によって限定されるべきではないことを理解されたい。これらの用語は、１つの要素又は構成要素を別の要素又は構成要素と区別するためにのみ使用される。よって、以下で考察される第１の要素又は構成要素は、本発明の概念の教示から逸脱することなく、第２の要素又は構成要素と呼ばれる場合もある。

[0017] 本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を記述する目的のみであり、限定することは意図されていない。明細書及び添付の請求項で使用されるとき、用語の単数の形態は、コンテキストがそうでないことを明確に指示しなければ、単数と複数の両方の形態を含むことが意図されている。加えて、用語「備える」及び／又は「備えている」、及び／又は同様の用語は、この明細書中で使用されるとき、記述される特徴、要素及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又は複数の他の特徴、要素及び／又は構成要素、並びに／或いはそれらの集合の存在又は追加を排除するものではない。本明細書で使用されるとき、用語「及び／又は」は、関連する列挙された項目のうちの１つ又は複数の任意の及び全ての組み合わせを含める。

[0018] そうでないことが指摘されなければ、要素又は構成要素は、別の要素又は構成要素に「接続される」、「結合される」又は別の要素又は構成要素の「近くで」と言うべき場合、その要素又は構成要素を、他の要素又は構成要素に直接接続又は結合することができる、或いは、介在する要素又は構成要素が存在する場合があることを理解されたい。すなわち、これらの、及び同様の用語は、２つの要素又は構成要素を接続するために１つ又は複数の中間要素或いは構成要素が利用される場合も包含する。しかしながら、要素又は構成要素が他の要素又は構成要素に「直接接続される」と言うべき場合、これは、２つの要素又は構成要素が、いかなる中間又は介在する要素又は構成要素もなしに互いに接続される場合のみを包含する。

[0019] 「コンピュータ可読記憶媒体」は、「コンピュータデバイス」の「プロセッサ」によって実行可能な命令を記憶するいずれの有形の記憶媒体も包含する。コンピュータ可読記憶媒体は、一時的な伝播信号などの一時的な媒体から区別するために、非一時的コンピュータ可読記憶媒体と呼ばれる。コンピュータ可読記憶媒体はまた、有形コンピュータ可読媒体と呼ばれることもある。

[0020] いくつかの実施形態において、コンピュータ可読記憶媒体はまた、コンピューティングデバイスのプロセッサによってアクセスすることが可能なデータを記憶することが可能である。コンピュータ可読記憶媒体の例には、これに限定するものではないが、フロッピーディスク（登録商標）、磁気ハードディスクドライブ、ソリッドステートハードディスク、フラッシュメモリ、ＵＳＢサムドライブ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、光学ディスク、磁気光学ディスク及びプロセッサのレジスタファイルが含まれる。光学ディスクの例には、コンパクトディスク（ＣＤ）及びデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、例えばＣＤ-ＲＯＭ、ＣＤ-ＲＷ、ＣＤ-Ｒ、ＤＶＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ-ＲＷ又はＤＶＤ-Ｒディスクが含まれる。用語コンピュータ可読記憶媒体はまた、ネットワーク又は通信リンクを介してコンピュータデバイスによってアクセスすることができる種々のタイプの記録媒体も指す。例えば、データは、モデムを介して、インターネットを介して、又はローカルエリアネットワークを介して取り出される。コンピュータ可読記憶媒体に対する言及は、場合によっては複数のコンピュータ可読記憶媒体であると解釈されるべきである。１つのプログラム又は複数のプログラムの種々の実行可能な構成要素は、異なる場所に記憶される。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、同一のコンピュータシステムの中の複数のコンピュータ可読記憶媒体である。コンピュータ可読記憶媒体はまた、複数のコンピュータシステム又はコンピューティングデバイスの間で分散されたコンピュータ可読記憶媒体である場合もある。

[0021] 「メモリ」は、コンピュータ可読記憶媒体の一例である。コンピュータメモリは、プロセッサに直接アクセス可能な任意のメモリである。コンピュータメモリの例には、これに限定するものではないがＲＡＭメモリ、レジスタ及びレジスタファイルが含まれる。「コンピュータメモリ」又は「メモリ」に対する言及は、場合によって複数のメモリであると解釈されるべきである。メモリは、例えば、同一のコンピュータシステムの中の複数のメモリである。メモリは、また複数のコンピュータシステム又はコンピューティングデバイスの間で分散されたコンピュータ可読記憶媒体である場合もある。コンピュータストレージは、任意の不揮発性コンピュータ可読記憶媒体である。コンピュータストレージの例には、これに限定するものではないが、ハードディスクドライブ、ＵＳＢサムドライブ、フロッピードライブ、スマートカード、ＤＶＤ、ＣＤ－ＲＯＭ及びソリッドステートハードドライブが含まれる。いくつかの実施形態において、コンピュータストレージは、コンピュータメモリであってもよく、その逆もまた同様である。「コンピュータストレージ」又は「ストレージ」に対する言及は、場合によって複数のストレージデバイス又は構成要素を含むように解釈されるべきである。例えば、ストレージは、同一のコンピュータシステム又はコンピューティングデバイスの中の複数のストレージデバイスを含む。ストレージはまた、複数のコンピュータシステム又はコンピューティングデバイスの間で分散された複数のストレージを含む場合もある。

[0022] 本明細書で使用される際の「プロセッサ」 は、例えばメモリ及び／又はコンピュータ可読媒体に記憶されたソフトウェア、プログラム及び／又はマシン実行可能命令を実行することが可能な電子構成要素を包含する。「プロセッサ」を備える「コンピューティングデバイス」に対する言及は、場合によって２つ以上のプロセッサ又は処理コアを包含するように、並びに場合によって１つ又は複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）又はそれらの組み合わせを包含するように解釈されるべきである。プロセッサは、例えばマルチコアプロセッサである。プロセッサはまた、単一のコンピュータシステム又は複数のコンピュータシステムの間で分散されたプロセッサの集合を指す場合もある。用語コンピューティングデバイスはまた、各々が１つのプロセッサ又は複数のプロセッサを備えるコンピューティングデバイスの集合又はネットワークを場合によっては指すように解釈されるべきである。多くのプログラムは、同一のコンピューティングデバイス内にある、又は複数のコンピューティングデバイスにわたってさらに分散される複数のプロセッサによって実行される命令を有する。

[0023] 本明細書で使用される際の「ユーザインターフェース」又は「ユーザ入力デバイス」は、ユーザ又はオペレータがコンピュータ又はコンピュータシステムとやりとりすることを可能にするインターフェースである。ユーザインターフェースは、オペレータに情報又はデータを提供する、及び／又はオペレータから情報又はデータを受信する。ユーザインターフェースは、オペレータからの入力がコンピュータによって受信されるのを可能にし、コンピュータからユーザへの出力を提供する。換言すると、ユーザインターフェースは、オペレータがコンピュータを制御又は操作することを可能にし、またインターフェースは、コンピュータが、ユーザの制御又は操作の効果を示すことを可能にする。ディスプレイ又はグラフィカルユーザインターフェース上のデータ又は情報の表示は、オペレータへの情報の提供の一例である。タッチスクリーン、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパッド、ポインティングスティック、グラフィックタブレット、ジョイスティック、ゲームパッド、ウェブカム、ヘッドセット、ギアスティック、ステアリングホイール、データグローブ、無線リモートコントロール及び加速度計を介したデータの受信は、ユーザからの情報又はデータの受信を可能にするユーザインターフェース構成要素の全ての例である。

[0024] 「ハードウェアインターフェース」は、コンピュータシステム又はコンピュータデバイスのプロセッサが外部のコンピューティングデバイス及び／又は装置とやりとりする、及び／又はそれらを制御するのを可能にするインターフェースを包含する。ハードウェアインターフェースは、プロセッサが、制御信号又は命令を外部のコンピューティングデバイス及び／又は装置に送信することを可能にする。ハードウェアインターフェースはまた、プロセッサが、外部のコンピューティングデバイス及び／又は装置とデータを交換することも可能にする。ハードウェアインターフェースの例には、これに限定するものではないが、ユニバーサルシリアルバス、ＩＥＥＥ １３９４ポート、パラレルポート、ＩＥＥＥ １２８４ポート、シリアルポート、ＲＳ-２３２ポート、ＩＥＥＥ-４８８ポート、ブルートゥース（登録商標）接続、無線ローカルエリアネットワーク接続、ＴＣＰ/ＩＰ接続、イーサネット接続、制御電圧インターフェース、ＭＩＤＩインターフェース、アナログ入力インターフェース及びデジタル入力インターフェースが含まれる。

[0025] 上述を鑑みて、本開示は、その種々の態様、実施形態及び／又は特有の特徴若しくはサブ構成要素のうちの１つ又は複数を通して、それ故、具体的に以下に指摘されるような利点の１つ又は複数を引き出すことが意図されている。限定ではなく、説明の目的で、特有の詳細を開示する一例の実施形態は、本教示による一実施形態の完全な理解を提供するために記載されている。しかしながら、本明細書に開示される特有の詳細から逸れる、本開示と一致する他の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内のままである。さらに、よく知られた装置及び方法は、一例の実施形態の記載を不明瞭にしないために省略される場合がある。そのような方法及び装置は、本開示の範囲内にある。

[0026] したがって、磁石持続電流スイッチ（ＰＣＳ）の温度を制御するためのシステムは、超伝導コイルのための冷却システム（例えばクライオスタット）から切り離された、ＰＣＳの効率的な冷却を可能にする。一般に、本明細書に記載される実施形態は、例えばＭＲＩ磁石などの超伝導磁石内の超伝導コイルの通電を可能にするためにＰＣＳを冷却システムから熱的に切り離す熱スイッチを対象としている。冷却システムからの熱的な切り離しは、ＰＣＳからやってくる熱が冷却システムを壊滅させるのを阻止するために必要とされ、これは超伝導コイルの低温も維持する。熱スイッチは、低温冷寒剤超伝導磁石に使用され、とりわけ、これは従来のヘリウム槽における磁石の伝導性の冷却とは対照的に、対流のヘリウム流を通して磁石を冷却するために比較的小さいヘリウム容積を有する。上記で挙げたように、熱スイッチは、磁石に通電する際にＰＣＳによって生成される過剰な熱が、磁石の超伝導コイルを冷却するためのクライオスタットに過度に負荷をかけるのを阻止する。熱スイッチはさらに、磁石が持続電流モード作動にあるとき、ＰＣＳが超伝導コイルと同じ温度を維持することも可能にする。よって、種々の実施形態は、ＰＣＳの温度が、超伝導コイルを冷却するためのクライオスタットを酷使することなく、数秒内で、所望通りに上昇及び下降するのを可能にする温度制御システムを提供する。加えて、熱スイッチを作動させるのに必要とされるエネルギーは切り替え動作のみに限定され、これは、数ミリ秒の範囲内で行われ、このことはクライオスタットへの熱入力の量をさらに制限する。

[0027] 図１は、代表的な一実施形態による、超伝導磁石システムの簡素化されたブロック図である。

[0028] 図１を参照すると、超伝導磁石システム１００は、磁石ＰＣＳ１２０と並列に接続された超伝導磁石の超伝導コイル１１０と、電源１８０（例証の目的のために、電流供給源として示される）とを含む。超伝導コイル１１０は、超伝導コイル１１０への熱入力を制限するために、超伝導磁石システム１００のクライオスタット１０５内にある。超伝導コイル１１０は、 クライオスタット１０５内の（及びこれに取り付けられた）冷凍機１０６によって低温に維持され、冷凍機１０６は、超伝導コイル１１０を囲む熱シールド（図示せず）の温度をおよそ４０ケルビンに維持する第１の段１０７と、超伝導コイル１１０の温度をおよそ４ケルビンに維持する第２の段１０８とを有する。冷凍機１０６の一部分は、クライオスタット１０５の外からアクセス可能である。対流冷却ループ１３０の熱交換器１３８は、冷凍機１０６の第２の段１０８に永続的に接続される、又は第２の段１０８と熱接触している。電源１８０は、クライオスタット１０５の外の電気接点に永続的又は一時的に接続される。

[0029] コントローラ１７０は、上記で考察したように、例えばメモリ及び／又はコンピュータ可読媒体に記憶された命令を実行する１つ又は複数のプロセッサを用いて、例えばコンピュータシステム又はコンピュータデバイスによって実行される。描かれる実施形態では、コントローラ１７０は、点線で示されるように電源１８０及びＰＣＳ１２０の状態を制御して、例えばオペレータによって提供された命令に応答して、磁石をランプアップする、磁石を持続電流モードにする、及び磁石をランプダウンすることを可能にする。コントローラ１７０はまた、対流冷却ループ１３０内の、点線によって示される、熱スイッチ１３１の作動も制御することで、対流冷却ループ１３０内のループ管１３５を通る冷却剤の流れを選択的に阻止したり可能にしたりすることによってＰＣＳ１２０の温度を制御する。コントローラ１７０は、上記に記載したように、１つ又は複数のプロセッサ並びにコンピュータシステムの他の構成要素を含むことを理解されたい。メモリ及び／又はコンピュータ可読媒体に記憶され、プロセッサによって実行される命令は、ＰＣＳ１２０を開閉するための命令、熱スイッチ１３１を開閉するための命令、及び電源１８０による電圧／電力出力を変更するための命令を含む。

[0030] より詳細には、コントローラ１７０は、ＰＣＳ１２０を閉鎖状態（超伝導状態）及び開放状態（非超伝導状態）に選択的に入るように制御する。ＰＣＳ１２０は、超伝導コイル１１０内で使用される超伝導ワイヤと同様に、銅母材の内部に超伝導短繊維で作成された複合超伝導ワイヤを含む。他の超伝導ワイヤと同様に、この複合超伝導ワイヤも、高温で「通常の」伝導体として機能し、極低温で「超伝導体」として機能する。ＰＣＳ１２０が閉鎖した（超伝導）状態にあるとき、それは、主要な磁石電流を運ぶことが可能であり、超伝導磁石は、持続電流モードに入ることが可能である。ＰＣＳ１２０は、例えば冷凍機１０６を使用する冷却によって閉鎖状態に切り替えられる。ＰＣＳ１２０が開放した（非超伝導又は通常の）状態にあるとき、それは主要な磁石電流を運ぶことができない。ＰＣＳ１２０は、例えばＰＣＳヒータ（図示せず）を使用する加熱によって閉鎖状態に切り替えられる。しかしながらＰＣＳ１２０は、開放状態で小さな（通常の）抵抗を有し、この抵抗は、磁石が電源１８０に接続されるとき、少量の電流のみがＰＣＳ１２０を通って流れ、残りの電流は、超伝導コイル１１０内を流れるのに十分な大きさである。

[0031] したがってＰＣＳ１２０が開放しているとき、磁石は、ランピング状態にあり、この状態の間、ＰＣＳ１２０は電力を損失するが、その理由は、ＰＣＳ１２０の両端でのランピング電圧は、その通常の抵抗性を通って流れる電流を生成するためである。ＰＣＳ１２０が閉鎖しているとき、ランピング電圧は存在せず、また電力の損失も起こらない。ＰＣＳ１２０は、以下で考察する対流冷却ループ１３０を介する冷却を利用して開放状態から閉鎖状態に移行し、電源１８０は、移行の間、磁石作動電流を維持する。ＰＣＳ１２０が完全に閉鎖した状態（開放と閉鎖の間の移行中とは対照的に）にあるとき、電源１８０は、電流をランプダウンする。超伝導コイル１１０の高い自己インダクタンスは、コイル電流が変化しないことを保証し、そして（例えばキルヒホッフの法則からの）結果として、ＰＣＳ１２０を通る電流は、電源１８０の電流がランプダウンするときランプアップする。

[0032] 加えて、コントローラ１７０は、対流冷却ループ１０３内の熱スイッチ１３１を、オペレータによって要求される行動に応じて開閉するように制御する。例えば、ランピング行動の後、磁石を持続電流モードにするべきなのに対してＰＣＳ１２０が開放状態にあるとき、熱スイッチ１３１が開放されて、対流冷却ループ１０３を通る冷却剤の流れを可能にし、それによってループ管１３５を介してＰＣＳ１２０を熱交換器１３８に熱的に接続して、ＰＣＳ１２０を閉鎖するための追加の冷却を行う。ＰＣＳ１２０が閉鎖状態にあるが、例えば磁石をランプアップ又はランプダウンするために開放する必要があるとき、熱スイッチ１３１は閉鎖されて、例えば、以下で考察するようにループ管１３８を塞ぐことによって、対流冷却ループ１０３を通る冷却剤の流れを停止し、それによってＰＣＳ１２０を熱交換器１３８から熱的に切り離し、冷凍機１０６の第２の段１０８に過度に負荷をかけることなく、それを加熱して開放することを可能にする。磁石がランピング状態であり、かつＰＣＳ１２０が開放状態にあるとき、熱スイッチ１３１が閉鎖状態にあることで、ＰＣＳ１２０によって生成される電力が、（超伝導コイル１１０を冷温に維持する）冷凍機１０６の第２の段１０８に過度に負荷をかけないことを保証する。磁石が持続電流モードに入るとき、熱スイッチ１３１は開放されて、ＰＣＳ１２０を熱交換器１３８に熱的に接続された状態に維持し、ＰＣＳ１２０が超伝導状態に留まることを保証する。

[0033] 一実施形態において、コントローラ１７０は、以下で考察されるよう熱スイッチ１３１内の強磁性ボールを、流れを阻止する位置に移動させて、熱スイッチ１３１を閉鎖するために、熱スイッチ１３１内の電磁石（例えばソレノイド）にパルスを送る。コントローラ１７０システムは、その後、電気ヒータ（図示せず）に電力を供給して、ＰＣＳ１２０をウォームアップし、ＰＣＳ１２０を超伝導（閉鎖）状態から出て、抵抗（開放）状態に入るように駆動する。閉鎖状態のＰＣＳ１２０は、上記で考察するように、超伝導磁石を冷温に維持しつつ、電源１８０が、超伝導コイル１１０を通過する電流を生成することを可能にする。同様に、コントローラ１７０は、熱スイッチ１３１内の強磁性ボールを、流れを阻止する位置から出るように移動させて、熱スイッチ１３１を開放し、ＰＣＳ１２０に追加の冷却を提供するために、熱スイッチ１３１内の電磁石（例えばソレノイド）にパルスを送る。

[0034] 冷凍機１０６の第２の段１０８は、電力を吸収するための能力が制限されているが、磁石システムの超伝導コイル１１０をおよそ４ケルビンの所望される極低温温度にすることが可能である。よって、開放状態にあるＰＣＳ１２０からやってくる熱は、そうでなければ冷凍機１０６に過度に負荷をかけることになる。上記で考察したように、電源１８０が、その開放状態にあるＰＣＳ１２０の両端に接続されているとき、電流の大半は、超伝導コイル１１０へと流れ、ＰＣＳ１２０の通常の抵抗性ワイヤを通って流れるのは少量の電流のみである。超伝導コイル１１０を通って流れる電流がその目標値（目標電流）に達すると、コントローラ１７０は、電源１８０をランプダウンした後、ＰＣＳ１２０を閉鎖状態に入るように制御して、超伝導コイル１１０が事実上ゼロ抵抗で持続電流モードで作動することを可能にする。これは閉鎖された超伝導回路と呼ばれる。目標電流は、超伝導磁石の中心で目標の磁場を形成するためにワイヤ内を流れるのに必要とされる電流である。

[0035] 一般に、磁石ＰＣＳ１２０は、通常の抵抗を通る電流流れに起因して開放状態にあるとき熱（熱エネルギー）を生成し、また、閉鎖状態から開放状態に移行するように制御されるとき、又はその逆も同様に、熱を生成し続ける。超伝導コイル１１０内の電流が、目標電流に達すると、コントローラ１７０は、電源１８０の電圧を止めるが、超伝導コイル１１０の高いインダクタンスによって、電流は電源１８０を通って流れ続ける。このような状況では、ＰＣＳ１２０内の電力損失はもはや存在せず、ＰＣＳ１２０は、開放状態から閉鎖状態に切り替わるために冷却される準備ができている。ＰＣＳ１２０を冷却することは、ひとつには、熱スイッチ１３１を制御して、冷却剤が対流冷却ループ１３０のループ管１３５の中を流れ、これによりＰＣＳ１２０を冷凍機１０６の第２の段１０８に熱的に接続することを可能にすることによって行われる。

[0036] ループ管１３５は、例えば銅、アルミニウム、チタン、亜鉛、スズ又は鉛などの非磁性金属或いは他の非磁性材料で形成される。ループ管１３５は、気密式に密閉され、ループ管１３５の中に含まれる冷却剤は、ＰＣＳ１２０と熱交換器１３８との間の熱エネルギーの対流移動を可能にする、例えばヘリウムガス又はヘリウム液体である。他のタイプのガス及び／又は液体冷却剤が、本教示の範囲から逸脱することなく導入される場合もある。

[0037] 熱スイッチ１３１は、冷却剤の流れをそれぞれ選択的に可能にしたり阻止したりするために、ループ管１３５を開閉するように構成される。熱スイッチ１３１が開放しているとき、生成される熱を消散させるために、冷却剤は、ＰＣＳ１２０と熱交換器１３８との間でループ管１３５を通って流れることができる。熱スイッチ１３１が閉鎖されるとき、ループ管１３５を通る冷却剤の流れは阻止される。種々の実施形態において、熱スイッチ１３１は、ループ管１３５の開口及び／又はループ管１３５の開口に隣接するオリフィスの内径より大きな直径を有する強磁性ボールを中に含むボール弁（図１には示されない）と、以下で考察するように、ループ管１３５の開口内又はボール弁の中のオリフィス内での強磁性ボールの配置を制御して磁場を活性化したり不活性化したりすることによってループ管１３５を選択的に塞ぐように構成された電磁石とを使用して実現される。すなわち、電磁石は、ループ管１３５の開口内又はボール弁の中のオリフィス内での強磁性ボールの配置を制御してループ管１３５を塞ぎ、また強磁性ボールをループ管１３５の開口又はオリフィスから取り出して、ループ管１３５を開放するように構成されている。

[0038] 図５は、代表的な一実施形態による、超伝導磁石システム１００の作動に関する簡素化された状態フロー図である。より詳細には、状態フロー図は、ＰＣＳ１２０を作動させるコンテキストで熱スイッチ１３１の作動を図示する目的で、ランプアップ動作中の熱スイッチ１３１、ＰＣＳ１２０用のＰＣＳヒータ及びＰＣＳ１２０の状態並びに電源１８０の電圧レベルを示す。すなわち、図５は、超伝導コイル１１０における電流を目標電流にランピングさせ、最終的には磁石を持続電流モードにするためのランプアッププロセスを示す。タイムライン（水平軸）は、自由に決めてよい。当業者には明らかであるように、ランプダウンプロセスも同様であるが、ランプアッププロセスとは逆である。超伝導コイル１１０をランプアップして磁石を持続電流モードにすることは、電源１８０をランプダウンするより長時間かかる。プロセスは、例えばコントローラ１７０によって制御される。

[0039] 図５の上の部分（上の４つのパターン）を参照すると、熱スイッチ１３１は、開放状態から閉鎖状態に移行するように制御され、対流冷却ループ１０３内のループ管１３５を通る冷却剤の流れを阻止して、ＰＣＳ１２０からの熱が冷凍機１０６の第２の段１０８に過度に負荷をかけないようにする。ＰＣＳヒータは、オンになりＰＣＳ１２０をウォームアップするように制御され、ＰＣＳ１２０は反応して閉鎖状態から開放状態に移行する。電源１８０は、０から正圧からに移行して、ランピングプロセスを開始するように制御される。ランピングプロセスは、電源１８０が、正圧から０に戻るように移行するように制御されるときに終了し、そのとき、ＰＣＳヒータもオフにされる。熱スイッチ１３１はその後、閉鎖状態から開放状態に移行するように制御され、ループ管１３５を通る冷却剤の流れを可能にして、ＰＣＳ１２０のための追加の又は補助的な冷却を提供する。ＰＣＳ１２０は、冷たくなり、閉鎖状態に入り、電源１８０は、その後、０から負圧に一時的に移行して、磁石が持続電流モードに入るように制御される。

[0040] 図５の下の部分（下の３つのパターン）を参照すると、ＰＣＳ１２０の温度は、ＰＣＳヒータがオンにされ、ＰＣＳ１２０が開放状態に移行するときに上昇し始め、電源１８０が、ランプアッププロセスの開始時に０から正圧に移動するときにさらに上昇する。熱スイッチ１３１は、ＰＣＳ１２０が高められた温度にある時間のほぼ全体において閉鎖状態にあることで、熱が冷凍機１０６の第２の段１０８に過度に負荷をかけるのを阻止する。その一方で、超伝導コイル１１０を通る電流は、ランプアッププロセスの開始時に上昇し始め、ランピングプロセスの終わりに目標電流に達し、この電流は維持される。超伝導磁石は、ランプアッププロセスより前は「磁場が生じていない」とみなされ、電流が目標に達すると「磁場が生じている」とみなされる。磁石は、電源１８０が放電された後、持続電流モードにあり、目標電流は、コイル１１０及びＰＣＳ１２０によって完全に保持される。

[0041] 図２Ａ及び図２Ｂは、代表的な一実施形態による、開放位置及び閉鎖位置にある超伝導磁石の対流冷却ループ内の熱スイッチの簡素化された断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに描かれ、以下で考察される熱スイッチは、図１の熱スイッチ１３１として使用されてもよい。

[0042] 図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、熱スイッチ２３１はループ管２３５内に位置決めされ、ループ管は上記に記載したループ管１３５と実質的に同じである。熱スイッチ２３１は、強磁性ボール２５０を中に含むボール弁２４５と、ボール弁２４５の近くでループ管２３５の外に位置決めされた第１のソレノイド２５１及び第２のソレノイド２５２によって示される２つの電磁石とを含む。熱スイッチ２３１は、第１及び第２のソレノイド２５１及び２５２を含むように記載されているが、他のタイプの電磁石が本教示の範囲から逸脱することなく組み込まれる場合もあることを理解されたい。第１及び第２のソレノイド２５１及び２５２は、以下で考察するように、第１及び第２のソレノイド２５１及び２５２を選択的に通電したり電気を切断したりすることによって、ボール弁２４５の中での強磁性ボール２５０の移動を制御するために、ループ管２３５の向かい合わせの側にある。ループ管２３５は、銅、アルミニウム、チタン、亜鉛、スズ又は鉛などの非磁性金属或いは非磁性材料で形成される。強磁性ボール２５０は、例えば鉄、ニッケル又はコバルトなどの任意の適合可能な強磁性材料で形成される。

[0043] 描かれる実施形態では、第１及び第２のソレノイド２５１及び２５２は、ボール弁２４５の周りを覆い、その結果、断面図では、第１及び第２のソレノイド２５１及び２５２の各々の部分はボール弁２４５の上下に現れる。熱スイッチ２３１は、超伝導磁石自体からの背景磁場並びにその空間的勾配が、通電されるとき、強磁性ボール２５０に対するいかなる磁力にも打ち勝つ、超伝導磁石システムの特定の領域に配置される。描かれる例では、矢印によって示されるように背景磁場の方向は左から右である。

[0044] ボール弁２４５は、ループ管２３５と一体化されており、そのためループ管２３５は、ボール弁２４５によって画定される第１の（上流）オリフィス２４７及び第２の（下流）オリフィス２４８を介してボール弁２４５の中を事実上通過する。強磁性ボール２５０は、第１のオリフィス２４７（及びループ管２３５）の内径より大きな直径を有する。第１のオリフィス２４７及び第２のオリフィス２４８は、ループ管２３５自体の開口と一致するため、第１のオリフィス２４７及び第２のオリフィス２４８の各々は、ループ管２３５の対応する開口に隣接する。ボール弁２４５は、強磁性ボール２５０が、２つの可能な位置、すなわち、強磁性ボール２５０がノッチ２４６の中にある図２Ａに示される第１の（開放）位置と、強磁性ボール２５０が第１のオリフィス２４７の中にある図２Ｂに示される第２の（閉鎖）位置のうちの１つに配置される点において、双安定の作動を提供する。強磁性ボール２５０が第１の位置にあるとき、熱スイッチ２３１は開放しており、図２Ａに点線の矢印によって示されるように、冷却剤がループ管２３５を通って流れることが可能である。強磁性ボール２５０が第２の位置にあるとき、熱スイッチ２３１は閉鎖しており、冷却剤は、（強磁性ボール２５０が第１のオリフィス２４７を塞いでおり、これによりループ管２３５も塞いでいるため）ループ管２３５を通って流れることができない。代替の構成では、冷却剤の流れは、本教示の範囲から逸脱することなく、反対方向である場合もある。

[0045] 第１及び第２のソレノイド２５１及び２５２は、ノッチ２４６と第１のオリフィス２４７との間で強磁性ボール２５０を移動させるために、上記で考察したように、図１のコントローラ１７０などのコントローラの制御の下で、選択的に通電されたり、電気が切断されたりする。第１のソレノイド２５１又は第２のソレノイド２５２を通電することは、電源（図示せず）からの電圧で、短期間の間（例えばおよそ１ミリ秒からおよそ１００ミリ秒）、第１のソレノイド２５１又は第２のソレノイド２５２をパルス式に通電することを含む。図２Ａに示されるように、第１のソレノイド２５１が通電される（例えばパルス式に通電される）とき、それは、強磁性ボール２５０が第１のソレノイド２５１に磁気により引き寄せられる方向に磁場を生成し、強磁性ボール２５０をノッチの中２４６の第１の位置に移動させる。第１のソレノイド２５１が、短期間の後に電気が切断されるとき、強磁性ボール２５０は、重力の力によってノッチ２４６の中に保持される。図２Ｂに示されるように、第２のソレノイド２５２が通電される（例えばパルス式に通電される）とき、それは、強磁性ボール２５０が第２のソレノイド２５２に磁気により引き寄せられる方向に磁場を生成し、強磁性ボール２５０を第１のオリフィス２４７の中の第２の位置に移動させる。第２のソレノイド２５２が、短期間の後に電気が切断されるとき、強磁性ボール２５０は、重力の力によって第１のオリフィス２４７の中に保持される。

[0046] 強磁性ボール２５０に対する磁力の強度は、強磁性ボール２５０の体積及び強磁性ボール２５０における磁場の強度の勾配の関数である。すなわち、第１のソレノイド２５１及び第２のソレノイド２５２の各々は、強磁性ボール２５０をボール弁２４５の中で磁気により移動させるために、重力の力、並びに強磁性ボール２５０に対して、及びその中で作用する背景磁場から生じる力に打ち勝つのに十分に強い磁力を生み出すように構成される。

[0047] 超伝導磁石システム内での熱スイッチ２３１及び／又は対流冷却ループの位置に応じて、背景磁場は、熱スイッチ２３１の機能を不能にしたり弱めたりする可能性がある。このようなケースでは、磁力線を熱スイッチ２３１構成の周りの背景磁場からそらすために、例えば鉄、ニッケル又はコバルトなどの強磁性材料で形成された任意選択の磁気シールド２７０が組み込まれる。磁気シールド２７０を含めることは、クライオスタット（例えばクライオスタット１０５）の内部に熱スイッチ２３１を設置するのに必要なスペースを拡大する。

[0048] 図３Ａ及び図３Ｂは、別の代表的な一実施形態による、開放位置と閉鎖位置での超伝導磁石システムの対流冷却ループ内の熱スイッチの簡素化された断面図である。図３Ａ及び図３Ｂに描かれ、以下で考察される熱スイッチは、図１の熱スイッチ１３１として使用されてもよい。

[0049] 図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、熱スイッチ３３１が、対流冷却ループ３３５の中に位置決めされており、対流冷却ループは上記に記載したループ管１３５と実質的に同じである。熱スイッチ３３１は、強磁性ボールを中に含むボール弁３４５と、ボール弁３４５の近くでループ管３３５の外に位置決めされた第１のソレノイド３５１及び第２のソレノイド３５２によって示される２つの電磁石とを含む。他のタイプの電磁石が、本教示の範囲から逸脱することなく組み込まれる場合もある。強磁性ボール３５０は、例えば鉄、ニッケル又はコバルトなどの任意の適合可能な強磁性材料で形成される。第１及び第２のソレノイド３５１及び３５２は、以下で考察するように、第１及び第２のソレノイド３５１及び３５２を選択的に通電したり、電気を切断したりすることによって、ボール弁３４５の中での強磁性ボール３５０の移動を制御するために、ボール弁３４５の向かい合わせの側にある。描かれる実施形態では、第１及び第２のソレノイド３５１及び３５２は、ループ管３３５の周りを覆い、その結果、断面図では、第１及び第２のソレノイド３５１及び３５２の各々の部分はループ管３３５の上下に現れる。

[0050] 描かれる実施形態では、ループ管３３５は、第１の（上流）端部部分３３５ａを含んでおり、この部分は、例えば鉄、ニッケル又はコバルトなどの強磁性材料で形成され、ボール弁３４５の第１の側へと部分的に延びている。ループ管３３５は、第２の（下流）端部部分３３５ｂをさらに含んでおり、この部分もまた、強磁性材料で形成され、ボール弁３４５の第２の側へと部分的に延びている、ループ管３３５の残りは、ループ管１３５を参照して上記で考察したように、例えば銅、アルミニウム、チタン、亜鉛、スズ又は鉛などの非磁性金属或いは他の非磁性金属で形成される。ループ管３３５の第１の開口３４７は、ループ管３３５の第１の端部部分３３５ａによって画定され、ループ管３３５の第２の開口３４８は、ボール弁３４５内の第２の端部部分３３５ｂによって画定される。第１の端部部分３３５ａはまた、ボール弁３４５内に位置する１つ又は複数の貫通穴３３３も画定する。貫通穴３３３は、以下で考察するように、強磁性ボール３５０が第１の開口３４７を塞いでいるときですら、図３Ａの点線の矢印によって示されるように、ボール弁３４５の中への冷却剤の流れを可能にする。

[0051] 熱スイッチ３３１は、超伝導磁石自体からの背景磁場並びにその空間的勾配が、背景磁場の磁力線がループ管３３５の第１の端部部分３３５ａ及び第２の端部部分３３５ｂによって引き寄せられるのに十分大きい、超伝導磁石システムの特定の領域に配置される。これに応答して、第１の端部部分３３５ａ及び第２の端部部分３３５ｂは、第１及び第２のソレノイド３５１及び３５２が通電されないときに、第１の開口３４７及び第２の開口３４８にそれぞれ磁場の勾配を生み出す。これにより、第１及び第２のソレノイド３５１及び３５２が通電されないとき、強磁性ボール３５０は、第１の端部部分３３５ａ及び第２の端部部分３３５ｂに磁気により引き寄せられる。低い背景磁場であっても、第１及び第２の開口３４７及び３４８の一方で所定の場所に強磁性ボール３５０を保持するために十分な磁力を強磁性ボール３５０に対して生み出すことができる。描かれる例では、背景磁場の方向は、矢印によって示されるように右から左である。

[0052] ボール弁３４５は、ループ管３３５と一体化されており、そのため、ループ管３３５は、ボール弁３４５の中を事実上通過する。強磁性ボール３５０は、ループ管３３５の第１及び第２の開口３４７及び３４８の内径より大きな直径を有する。ボール弁３４５は、強磁性ボール３５０が、２つの可能な位置、すなわち強磁性ボール３５０が第１の開口３４７を塞ぐのに十分な力で、第１の端部部分３３５ａに磁気により引っ張られる、図３Ａに示される第１の（開放）位置と、強磁性ボール３５０が第２の開口３４８を塞ぐのに十分な力で、第２の端部部分３３５ｂに磁気により引っ張られる、図３Ｂに示される第２の（閉鎖）位置のうちの一方に配置される点において、双安定動作を提供する。強磁性ボール３５０が第１の位置にあるとき、熱スイッチ３３１は開放しており、図３Ａに点線の矢印によって示されるように、冷却剤は貫通穴３３３を介してループ管３３５を通って流れることが可能である。強磁性ボール３５０が第２の位置にあるとき、熱スイッチ３３１は閉鎖しており、冷却剤は、（強磁性ボール３５０が第１の開口３４７を塞いでいるため）ループ管３３５を通って流れることはできない。

[0053] 第１及び第２のソレノイド３５１及び３５２は、第１の開口３４７と第２の開口３４８との間で強磁性ボール３５０を移動させるために、上記で考察したように図１のコントローラ１７０などのコントローラの制御の下で、選択的に通電されたり、電気が切断されたりする。第１のソレノイド３５１又は第２のソレノイド３５２を通電することは、電源（図示せず）からの電圧で、短期間の間（例えばおよそ１ミリ秒からおよそ１００ミリ秒）、第１のソレノイド３５１又は第２のソレノイド３５２をパルス式に通電することを含む。第１のソレノイド３５１及び第２のソレノイド３５２の一方が通電されるとき、それは、背景磁場のものと反対の方向を有する対応する磁場を生成し、それによってループ管３３５の第１の端部部分３３５ａ又は第２の端部部分３３５ｂを部分的に、又は完全に脱磁する。結果として、対応する第１の端部部分３３５ａ又は第２の端部部分３３５ｂは背景磁場によって磁化され続けるため、強磁性ボール３５０は、通電されていない第１のソレノイド３５１（及び第１の端部部分３３５ａ）又は第２のソレノイド３５２（及び第２の端部部分３３５ｂ）の他方に向かって磁気により引っ張られる。

[0054] より詳細には、図３Ａに示されるように、第２のソレノイド３５２が通電される（例えばパルス式に通電される）とき、第２の端部部分３３５ｂは脱磁され、強磁性ボール３５０はそれ故、第１の端部部分３３５ａに磁気により引き寄せられ、この第１の端部部分は、第２のソレノイド３５２がパルス式に通電されている間、背景磁場によって磁化されたままである。したがって、強磁性ボール３５０は、第１の位置に移動し、磁化された第１の端部部分３３５ａの第１の開口３４７を塞ぐのに対して、第２の開口３４８は塞がれていない。熱スイッチ３３１はそれ故、開放しており、図３Ａに点線の矢印によって示されるように、冷却剤がループ管３３５を通って流れることが可能である。第２のソレノイド３５２が短期間の後（例えば、強磁性ボール３５０が第１の位置に移動するとすぐに）に電気が切断されると、強磁性ボール３５０は、第２の端部部分３３５ｂが再び磁化したとしても、磁化された第１の端部部分３３５ａによって第１の位置に保持される。背景磁場が、超伝導磁石の通電の開始時など強磁性ボール３５０を保持するのに十分な強さでない場合、強磁性ボール３５０を第１の位置に維持するために、少量の逆電圧が供給されて第１のソレノイド３５１を通電して、磁気引力を増大させる方向に磁場を生成する、及び／又は少量の（順方向）電圧が印加されて第２のソレノイド３５２を通電して、第２の端部部分３３５ｂを再び部分的に脱磁し、対抗する磁力を低下させる方向に磁場を生成する。

[0055] 同様に、図３Ｂに示されるように、第１のソレノイド３５１が通電される（例えばパルス式に通電される）とき、第１の端部部分３３５ａは脱磁され、強磁性ボール３５０はそれ故、第２の端部部分３３５ｂに磁気により引き寄せられ、この第２の端部部分は、背景磁場によって磁化されたままである。したがって、強磁性ボール３５０は、第２の位置に移動し、磁化された第２の端部部分３３５ｂの第２の開口３４８を塞ぐのに対して、第１の開口３４７は塞がれていない。熱スイッチ３３１はそれ故、閉鎖され、冷却剤がループ管３３５を通って流れることはできない。第１のソレノイド３５１が短期間の後（例えば、強磁性ボール３５０が第２の位置に移動するとすぐに）に電気が切断されると、強磁性ボール３５０は、第１の端部部分３３５ａが再び磁化したとしても、磁化された第２の端部部分３３５ｂによって第２の位置に保持される。背景磁場が強磁性ボール３５０を保持するのに十分な強さでない場合、強磁性ボール３５０を第２の位置に維持するために、少量の逆電圧が供給されて第２のソレノイド３５２を通電して、磁気引力を増大させる方向に磁場を生成する、及び／又は少量の（順方向）電圧が印加されて第１のソレノイド３５１を通電して、第１の端部部分３３５ａを再び部分的に脱磁し、対抗する磁力を低下させる方向に磁場を生成する。

[0056] 代替の実施形態では、超伝導磁石システムにおいてＰＣＳの温度を別個に制御するための冷却ループは、上記で考察した熱スイッチ２３１及び／又は熱スイッチ３３１などの複数の熱スイッチを含む。図４は、複数の熱スイッチを含む、別の代表的な一実施形態による超伝導磁石システムの簡素化されたブロック図である。

[0057] 図４を参照すると、超伝導磁石システム４００は、図１を参照して上記で考察したように、磁石ＰＣＳ１２０と並列に接続された超伝導コイル１１０と、電源１８０とを含む。ＰＣＤ１２０によって生成された熱は、主にＰＣＳ１２０の温度を別個に制御するための対流冷却ループ４３０によって消散される。対流冷却ループ４３０は、熱交換器１３８と、ループ管１３５、並びにＰＣＳ１２０と熱交換器１３８との間でループ管１３５と一体化された第１の熱スイッチ４３１及び第２の熱スイッチ４３２とを含む。描かれる例では、第１の熱スイッチ４３１（図１の熱スイッチ１３１と同様の）は、ＰＣＳ１２０から熱交換器１３８に冷却剤を運ぶ、ループ管１３５の供給部分に位置決めされ、第２の熱スイッチ４３２は、熱交換器１３８からＰＣＳ１２０に冷却剤を運ぶ、ループ管１３５の戻り部分に位置決めされる。ループ管は気密式に密閉され、ループ管１３５の中に含まれる冷却剤は、ＰＣＳ１２０と熱交換器１３８との間の熱エネルギーの対流移動を可能にするための、例えばヘリウムガス又はヘリウム液体である。

[0058] 第１及び第２の熱スイッチ４３１及び４３２は、冷却剤の流れをそれぞれ選択式に可能にしたり阻止したりするために、コントローラ１７０の制御の下でループ管１３５を開閉するように構成される。 例えば第１及び第２の熱スイッチ４３１及び４３２は、例えばＰＣＳ１２０が開放状態にあるとき、及び／又はＰＣＳ１２０が閉鎖状態から開放状態に移行されているとき、或いはその逆の場合のときも同様に、冷凍機１０６の第２の段１０８に熱により過度に負荷をかけることなく、ＰＣＳ１２０が熱を生成することを可能にするために閉鎖される。そうでない場合、第１及び第２の熱スイッチ４３１及び４３２は、例えばＰＣＳ１２０が閉鎖状態にあるときに、開放され、ループ管１３５を通る冷却剤の流れを可能にしてＰＣＳ１２０を冷温に維持する。このような状況の例は、図５にパターンのまさしく始まりと、まさしく終わりである。

[0059] 種々の実施形態において、第１及び第２の熱スイッチ４３１及び４３２の各々は、図２及び図３の熱スイッチ２３１及び３３１に関して上記に記載したように、ボール弁を使用して実現される。個々の第１及び第２の熱スイッチ４３１及び４３２の構造及び動作の記述はそれ故、ここでは繰り返さない。一実施形態において第１及び第２の熱スイッチ４３１及び４３２は、ほぼ同時に作動され、このことは対流冷却ループ４３０の効果を高め、その理由は、ほぼ同時の作動は、冷却ループ４３０の２つの脚部の一方のみの内部でのＰＣＳ１２０と熱交換器１３８との間の対流の可能性をなくすためである。それはまた、２つの熱スイッチが使われていない場合のシステムの信頼性も高め、このことは、第１及び第２の熱スイッチ４３１及び４３２のうちの一方のみが故障した場合、費用と時間がかかる修理の可能性を回避する。

[0060] 持続電流スイッチの温度を制御するためのシステムが、複数の例示の実施形態を参照して記載されているが、使用されている用語は、説明及び例示の用語であり、限定の用語ではないことを理解されたい。その態様における持続電流スイッチの温度を制御するためのシステムの精神及び範囲から逸脱することなく、目下述べられているような、及び修正されるような添付の請求項の範囲内で変更が行われてもよい。持続電流スイッチの温度を制御するためのシステムを特定の手段、材料及び実施形態を参照して記載してきたが、持続電流スイッチの温度を制御するためのシステムは開示される詳細に限定されることは意図されておらず、むしろ、持続電流スイッチの温度を制御するためのシステムは、添付の請求項の範囲内にあるような、全ての機能的に等価な構造、方法及び使用に拡大される。

[0061] 本明細書は、特定の基準及びプロトコルを参照して特定の実施形態で実施される構成要素及び機能を記載するが、本開示には、そのようなの基準及びプロトコルに限定されない。そのような基準は、同一の機能を基本的に有するより効果的な等価物によって定期的に取り替えられる。したがって、同一又は同様の機能を有する代わりの基準及びプロトコルは、その等価物と見なされる。

[0062] 本明細書に記載される実施形態の例示は、種々の実施形態の構造の包括的理解を提供することが意図されている。この例示は、本明細書に記載される開示の要素及び特徴の全ての完全な記述として役立つことは意図されていない。本開示を再考するとき、多くの他の実施形態が当業者には明白である。他の実施形態が利用され、本開示から導き出されることで、本開示の範囲から逸脱することなく、構造的及び論理的代替及び変更が行われる。追加として、例示は単なる表現であり、縮尺通りに描かれていない。例示の中の特定の比率は誇張されており、その一方で他の比率は縮小されている。したがって本開示及び図面は、限定ではなく例示としてみなすべきである。

[0063] 本開示の１つ又は複数の実施形態は、単に利便性のために、及び本出願の範囲をいかなる特定の発明又は発明の概念にも自発的に限定することを意図せずに、用語「発明」によって個々に、及び／又は一括して本明細書で参照されている。さらに、特有の実施形態が本明細書に例示され記載されているが、同一の又は同様の目的を達成するために設計された任意の後続の構成が、示される特有の実施形態に取って代わる場合があることを理解されたい。本開示は、任意の及び全ての後続の適用或いは種々の実施形態の変形形態を網羅することが意図されている。上記の実施形態の組み合わせ、及び本明細書に具体的に記載されない他の実施形態は、この記載を再考するとき当業者に明らかであろう。

[0064] 本開示の要約書は、米国特許法施行規則§１．７２(ｂ)に準拠するように提供されており、請求項の範囲又は意味を解明又は制限するのに使用されないことの理解と共に提出されている。加えて、上述の詳細な記載において、種々の特徴は、本開示を合理化する目的で、一緒にグループ化される、又は単一の実施形態において記載される。本開示は、特許請求される実施形態が、各請求項にはっきりと列挙されるものより多くの特徴を必要とするという意図を反映するように解釈されるべきではない。むしろ、以下の請求項が反映するように、発明の主題は、開示される実施形態のいずれかの特徴のすべてを対象とするとは言えない。よって、以下の請求項は、詳細な記載に組み込まれており、各請求項は、特許請求される主題を別々に定義するようにそれ自体で成り立っている。

[0065] 開示される実施形態の先行する記載は、当業者が本開示に記載される概念を実施することを可能にするために提供されている。したがって、上記の開示される主題は、限定ではなく、例示とみなされるべきであり、添付の請求項は、本開示の真の精神及び範囲の範囲内にある全てのそのような修正形態、拡張形態及び他の実施形態を網羅することが意図されている。したがって、法律によって許容される最大の範囲まで、本開示の範囲は、以下の請求項及びその等価物の最も広い許容し得る解釈によって決められるべきであり、上述の詳細な記載によって制限又は限定されるべきではない。

Claims (20)

1. 背景磁場内で作動している持続電流スイッチの温度を制御するためのシステムであって、前記システムは、
   熱を冷凍機に分散させる熱交換器と、
   冷却剤の流れが、前記持続電流スイッチによって生成された熱エネルギーを前記熱交換器に対流により移動させることを可能にするループ管と、
   熱スイッチとを備え、
   前記熱スイッチは、
   前記持続電流スイッチと前記熱交換器との間で前記ループ管と一体化されたボール弁であって、前記ループ管の開口又は前記ループ管の前記開口に隣接する前記ボール弁の中のオリフィスの内径より大きな直径を有する強磁性ボールを含むボール弁と、
   前記ボール弁の近くで前記ループ管の外に位置決めされた複数の電磁石であって、前記複数の電磁石のうちの第１の電磁石を通電することは、前記強磁性ボールを磁気により前記ループ管の第１の位置に移動させて、前記ループ管を開放し、前記冷却剤の流れを可能にし、前記複数の電磁石のうちの第２の電磁石を通電することは、前記強磁性ボールを磁気により第２の位置に移動させて、前記ループ管を閉鎖し、前記冷却剤の流れを阻止する、複数の電磁石とを備える、
   システム。
2. 前記ボール弁は、前記オリフィスを画定し、さらに前記オリフィスの近くにノッチを含み、
   前記第１の電磁石を通電することは、前記強磁性ボールを磁気により前記ノッチに移動させて、前記冷却剤の流れを可能にし、前記第２の電磁石を通電することは、前記強磁性ボールを磁気により前記オリフィスに移動させて、前記冷却剤の流れを阻止し、前記強磁性ボールは、前記第１の電磁石及び前記第２の電磁石が電気を切断されているとき、重力の力によって前記ノッチ及び前記オリフィスのうちの一方に保持されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の電磁石及び前記第２の電磁石の各々は、重力の力、及び前記強磁性ボールに対して作用する前記背景磁場から生じる力に打ち勝つのに十分に強い磁力を生み出す、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ループ管は、強磁性材料で形成された第１の端部部分であって、前記ボール弁の第１の側へと部分的に延びる当該第１の端部部分と、前記強磁性材料で形成された第２の端部部分であって、前記ボール弁の第２の側へと部分的に延びると第２の端部部分とを備え、前記第１の端部部分は、前記ボール弁の中に位置する１つ又は複数の貫通穴を画定し、
   前記第１の端部部分及び前記第２の端部部分は、前記第１の電磁石及び前記第２の電磁石が通電されないとき、前記背景磁場によって磁化され、
   前記第１の電磁石を通電することは、前記第１の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させて、前記強磁性ボールを磁化された前記第２の端部部分に移動させ、前記ループ管の前記開口を覆い、前記冷却剤の流れを阻止し、
   前記第２の電磁石を通電することは、前記第２の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させて、前記強磁性ボールを磁化された前記第１の端部部分に移動させ、前記ループ管の別の開口を覆い、前記１つ又は複数の貫通穴を通る前記冷却剤の流れを可能にする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１の端部部分及び前記第２の端部部分の各々は、前記背景磁場と実質的に同じ配向を有する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１の電磁石が通電されて前記第１の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させるとき、前記第２の電磁石は、前記第１のソレノイドを通電するのに使用される電圧に対して逆電圧で通電され、さらに、前記強磁性ボールを磁化された前記第２の端部部分に移動させる、請求項４に記載のシステム。
7. 前記第２の電磁石が通電されて前記第２の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させるとき、前記第１の電磁石は、前記第１の電磁石を通電するのに使用される電圧に対して逆電圧で通電され、さらに、前記強磁性ボールを磁化された前記第１の端部部分に移動させる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第１の電磁石又は前記第２の電磁石を通電することは、前記第１の電磁石又は前記第２の電磁石を特定の電圧でパルス式に通電することを有する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記冷却剤は、ヘリウムガス又はヘリウム液体を有する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記持続電流スイッチは、超伝導磁石の通電を可能にする、請求項１に記載のシステム。
11. 前記ループ管は、非磁性金属を有する、請求項１に記載のシステム。
12. 前記熱交換器は、熱を冷凍機に分散させる、請求項１に記載のシステム。
13. 冷凍機との熱接触において持続電流スイッチの熱エネルギーの熱交換器への移動を制御するためのシステムであって、前記システムは、
    前記持続電流スイッチと前記熱交換器との間に位置決めされたループ管であって、冷却剤が選択的に中を通って流れる当該ループ管と、
    前記持続電流スイッチと前記熱交換器との間の前記ループ管の第１の部分にある第１のボール弁であって、第１の強磁性ボールと、前記ループ管の第１の部分の第１の開口に隣接する第１のオリフィスと、前記第１のオリフィスに隣接する第１のノッチとを含む当該第１のボール弁と、
    前記持続電流スイッチと前記熱交換器との間の前記ループ管の第２の部分にある第２のボール弁であって、第２の強磁性ボールと、前記ループ管の第２の部分の第２の開口に隣接する第２のオリフィスと、前記第２のオリフィスに隣接する第２のノッチとを含む当該第２のボール弁と、
    前記第１のボール弁に隣接する前記ループ管の前記第１の部分の外に位置決めされた第１のソレノイド及び第２のソレノイドと、
    前記第２のボール弁に隣接する前記ループ管の前記第２の部分の外に位置決めされた第３のソレノイド及び第４のソレノイドとを備え、
    前記第１及び前記第２の強磁性ボールが前記第１及び前記第２のノッチにそれぞれ移動し、前記ループ管の前記第１及び前記第２の部分を開放するように、前記第１及び前記第３のソレノイドに通電することによって、前記冷却剤は前記ループ管の中を通って流れることが可能であり、
    前記第１及び前記第２の強磁性ボールが前記第１及び前記第２のオリフィスにそれぞれ移動し、前記ループ管の前記第１及び前記第２の部分を閉鎖するように、前記第２及び前記第４のソレノイドに通電することによって、前記冷却剤は前記ループ管を通って流れるのを阻止される、システム。
14. 前記第１、前記第２、前記第３及び前記第４のソレノイドの各々は、重力の力、及び前記第１及び前記第２の強磁性ボールに対して作用する背景磁場から生じる力に打ち勝つのに十分に強い磁力を生み出す、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記ループ管は、非磁性金属で形成される、請求項１３に記載のシステム。
16. 冷凍機との熱接触において持続電流スイッチの熱エネルギーの熱交換器への移動を制御するためのシステムであって、前記システムは、
    前記持続電流スイッチと前記熱交換器との間に位置決めされ、冷却剤が選択的にループ管の中を通って流れるループ管と、
    前記持続電流スイッチと前記熱交換器との間で前記ループ管の中にあるボール弁であって、前記ループ管の内径より大きな直径を有する強磁性ボールを含むボール弁と、
    前記ボール弁の第１の側に隣接する前記ループ管の外に位置決めされた第１のソレノイドと、
    前記ボール弁の第２の側に隣接する前記ループ管の外に位置決めされた第２のソレノイドとを備え、
    前記ループ管は、前記ボール弁の前記第１の側へと部分的に延びる、強磁性材料で形成された第１の端部部分と、前記ボール弁の前記第２の側へと部分的に延びる、前記強磁性材料で形成された第２の端部部分とを備え、前記第１の端部部分は、前記ボール弁の中に位置する前記第１の端部部分の側壁に１つ又は複数の貫通穴を画定し、
    前記第１の端部部分及び前記第２の端部部分は、前記第１のソレノイド及び前記第２のソレノイドが通電されないとき、背景磁場によって磁化され、
    前記第１のソレノイドを通電することは、前記第１の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させて、前記強磁性ボールを磁化された前記第２の端部部分に移動させ、前記ボール弁の中の前記ループ管の開口を覆い、前記冷却剤の流れを阻止し、
    前記第２のソレノイドを通電することは、前記第２の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させて、前記強磁性ボールを磁化された前記第１の端部部分に移動させ、前記ボール弁の中の前記ループ管の別の開口を覆い、前記１つ又は複数の貫通穴を通る前記冷却剤の流れを可能にする、システム。
17. 前記第１の端部部分及び前記第２の端部部分の各々は、前記背景磁場と実質的に同じ配向を有する、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１のソレノイドが通電されて前記第１の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させるとき、前記第２のソレノイドは、前記第１のソレノイドを通電するのに使用される電圧に対して逆電圧で通電され、さらに、前記強磁性ボールを磁化された前記第２の端部部分に移動させる、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記第２のソレノイドが通電されて前記第２の端部部分を少なくとも部分的に脱磁させるとき、前記第１のソレノイドは、前記第２のソレノイドを通電するのに使用される電圧に対して逆電圧で通電され、さらに、前記強磁性ボールを磁化された前記第１の端部部分に移動させる、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記第１の端部部分及び前記第２の端部部分以外の前記ループ管は、非磁性材料で形成される、請求項１６に記載のシステム。

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