JP3749514B2 - 超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）等に使用される超電導磁石装置に関するもので、特に、超電導磁石を冷却するための蓄冷式冷却機のメンテナンスを容易にしたメンテナンス方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＮＭＲ等に使用される超電導磁石装置は、超電導磁石を極低温に冷却するための冷媒として液体ヘリウムが使用されていたが、液体ヘリウムは蒸発潜熱が小さく、取扱いが困難であり、更に、高価である事から、近年は、冷凍機によって直接超電導磁石を冷却する方式が普及しつつある。
【０００３】
係る直冷式超電導磁石装置の代表的な構造としては、特許文献１に開示されている図４に示した如き装置がある。同図において、超電導磁石１は、アルミニウム等の伝熱特性に優れた材料で形成された保持枠１ａに取り付けられて真空容器７内に配設された輻射シールド５内に収容配置されている。真空容器７は、内部を高真空に保持され、超電導磁石１や輻射シールド５への熱侵入を抑制する機能を有している。又、超電導磁石１は、前記輻射シールド５に対して第２断熱支持部材１４により断熱支持されており、更に、該輻射シールド５は、第１断熱支持部材１６により真空容器７に対して断熱支持されている。ここで、前記第２及び第１断熱支持部材１６，１４は、熱伝導率が小さく且つ強度の高い材料、例えばガラス繊維強化プラスチックで製作されており、前記輻射シールド５は、熱伝導率の大きなアルミニウム又はその合金で形成されている。
【０００４】
冷凍機３は、一般には二段蓄冷式冷凍機（以下単に「冷凍機」という）が使用されており、その構造は、外観図である図５及び一部断面図である図６に示している様に、バルブユニット２２ａ及び該バルブユニット２２ａの切り替え操作を行うモータ２２ｂとからなる駆動部２２と、上部の第１シリンダ２１ａ及び下部の第２シリンダ２１ｂが一体に形成されているシリンダ２１と、該シリンダ２１内に微小間隔で挿入され内部に蓄冷材が充填されている上部の第１ディスプレーサ２０ａ及び下部の第２ディスプレーサ２０ｂとが一体に形成されているディスプレーサ２０と、前記バルブユニット２２ａにヘリウムガスを供給するガス配管２７と、該ガス配管２７に接続される圧縮機（図示せず）とから構成されている。これにより、圧縮機で加圧されたヘリウムガスが駆動部２２でパルス圧に変化され、一部は第１ディスプレイサー２０ａ内を経て該第１ディスプレーサ２０ａの下部に形成されている小孔２３ａから第１シリンダ２１ａ下部に噴出し、残部は第２ディスプレイサー２０ｂ内を経て該第２ディスプレーサ２０ｂの下部に形成されている小孔２３ｂから第２シリンダ２１ｂの下部に噴出し、前記ディスプレーサ２２の上下動に伴うパルス状の圧力変化による断熱膨張によって低温を発生させる様になっている。即ち、前記第１シリンダ２１ａの先端に第１冷却端部３ａを形成し、前記第２シリンダ２１ｂの先端に第２冷却端部３ｂを形成する。これら第１冷却端部３ａ及び第２冷却端部３ｂは、夫々前記輻射シールド５と超電導磁石１を該超電導磁石１の材料に応じた温度に対応した温度、例えば、第１冷却端部３ａは５０Ｋに、第２冷却端部３ｂは４Ｋに冷却する様に設計されている。
【０００５】
又、図４において、冷凍機取付シリンダ３０は、前記冷凍機３を着脱可能に保持して該冷凍機３の点検や交換のためのメンテナンスを容易にするもので、取付フランジ３２、第１取付シリンダ３１ａ、第１取付熱接続部３３、第２取付シリンダ３１ｂ及び第２取付熱接続部３５から構成されており、前記取付フランジ３２によって内部を真空に保持する様に、前記真空容器７に気密に取り付けられている。これにより、前記冷凍機３は、外部から前記真空容器７及び前記輻射シールド５を貫通して挿入可能になっている。又、前記第１取付熱接続部３３は前記輻射シールド５に熱接続され、前記第２取付熱接続部３５は前記超電導磁石１の保持枠１ａに熱接続されており、更に、前記第１冷却端部３ａと前記第１取付熱接続部３３とが熱接続され、前記第２冷却端部３ｂと前記第２取付熱接続部３５とが熱接続されている。
【０００６】
係る構成の超電導磁石装置において、前記冷凍機３の運転を開始すると、超電導磁石１及びその支持枠１ａの熱エネルギは、第２取付熱接続部３５を介して第二冷却端部３ｂで吸収され、最終的には、前記冷凍機３の第２冷却端部３ｂが吸収する熱量（即ち冷凍能力）と外部から熱伝導や熱輻射によって該超電導磁石１とその保持枠１ａに伝えられる熱量（即ち侵入熱）とがバランスした温度に超電導磁石１の温度が保たれる事になる。同様に輻射シールド５の熱エネルギは、前記第１取付熱接続部３３を通じて第１冷却端部３ａで吸収される。従って、該輻射シールド５は、前記冷凍機３の第１冷却端部３ａが吸収する熱量（即ち冷凍能力）と外部から熱伝導や熱輻射によって該輻射シールド５に伝えられる熱量（即ち侵入熱）とがバランスした温度に保たれる事になる。
【０００７】
上記構成の装置において、駆動部を有する機械部品である冷凍機３には、定期的なメンテナンスが必要になるが、前記冷凍機３の運転によって冷却が進行すると、前記取付シリンダ３０と該冷凍機３との間の間隔は、熱収縮率の差によって極めて小さくなる。この状態でメンテナンスのために冷凍機を止めると、外気に接している冷凍機のシリンダ２１の温度が上昇して熱膨張してくるので、その間隔は一層小さくなる。しかも前記取付シリンダ３０内は真空に保持されているので、該取付シリンダ３０から前記冷凍機３を取り出すには大きな取り出し力が必要となる。そこで、該冷凍機３の運転を停止した後、前記取付シリンダ３０内に常圧のヘリウムガスを導入し、且つ、これらが略常温にまで昇温した後に取り出し作業を行う必要があった。この状態では、超電導磁石１も常温に昇温されているので、再度運転を開始するには、常温からの冷却から始めなければならず、通常は、この冷凍機３のメンテナンスのために超電導磁石装置の停止期間は１週間程度が必要とされていた。
【０００８】
そこで、この停止期間の短縮を目的とした装置として、前記取付シリンダ３０の内部にヘリウムガスを供給して液化させておき、前記冷凍機３のメンテナンスのための取出時には、該液体ヘリウムの蒸発によって該取付シリンダ３０の内部温度を液体ヘリウム温度に保持させておく事により冷凍機３の昇温膨張を防止して、その取出し作業を容易にする方法が特許文献１に開示されている。このための装置として、前記取付シリンダ３０の内部にヘリウムガスを供給して大気圧で液化させて貯蔵しておき、前記冷凍機３のメンテナンス時には、前記取付シリンダ３０内の圧力は内部に充填されているヘリウムによって略大気圧に保たれており、且つ、冷凍機３は液体ヘリウムによって冷却されているので大きな取り出し力を要する事なく容易に引き抜く事ができる様にしたものである。具体的には、図４に示している様に、ヘリウム導入管４０の一端を前記取付シリンダ３０の内部に臨む様に取付フランジ３２に取り付け、他端部をヘリウムガスボンベ４６の配管４４の継手部４３に接続し、その間に締切バルブ４１、安全弁４７、圧力計４８、減圧弁４５を配置した構成となし、前記取付シリンダ３０内にヘリウムを送給可能となしている。これにより、先ず、継手部４３によってヘリウム導入管４０とヘリウムガスボンベ４６とを接続し、締切バルブ４１を開け、減圧弁４５により大気圧程度に減圧されたヘリウムガスを前記ガスボンベ４６からヘリウム導入管４０を経て前記取付シリンダ３０内に供給する。この状態で前記冷凍機３の運転を開始すると、前記取付シリンダ３０内のヘリウムガスも冷却されて内圧が下がってくるが、前記減圧弁４５の設定値以下となると、前記ボンベ４６から新たにヘリウムガスの供給がなされ、前記取付シリンダ３０内の圧力は略大気圧に維持されたまま冷却が進行して行く。そして、最終的に前記第２冷却端部３ｂの温度が４Ｋに達すると、該取付シリンダ３０の第２シリンダ３１ｂ内のヘリウムガスの一部は液化し、液体ヘリウムとなって該第２シリンダ３１ｂの底部に溜まる事になる。所定量の液体ヘリウムが溜まり、新たなヘリウムガスの供給が不要となると、前記締切バルブ４１を閉じ、ヘリウムガスボンベ４６を継手部４３から取り外す事になる。尚、前記取付シリンダ３０に連通する液体ヘリウムタンク（図示せず）を付設する事により、多量の液体ヘリウムを蓄える様になす方式も開示されている。
【０００９】
係る構成の装置においては、前記冷凍機３を前記取付シリンダ３０から抜き出す場合には、該冷凍機３の運転を停止した直後においては、前記取付シリンダ３０内の圧力は内部に充填されているヘリウムガスによって略大気圧に保たれており、且つ、液体ヘリウムによって昇温膨張が防止されているので、大きな取り出し力を要する事なく、容易に引き抜きが可能となっている点で、従来装置よりも改善されている。
【００１０】
一方、前記冷凍機の点検や取り替え等のメンテナンスが要求されているのは、該冷凍機全体ではなく、該冷凍機３の前記シリンダ２１内部の可動部であるディスプレーサ２０及びその上部の駆動部２２とからなる本体部分のみである点に着目して、この本体部分のみを取り出す様にした方式が特許文献２に開示されている。この方式を図７により説明する。図７は、この方式の超電導磁石装置を示す要部断面概念図であり、同図において、超電導磁石１はアルミニウム等の伝熱特性に優れた材料で形成された保持枠１ａに取り付けられて真空容器７内に配設された輻射シールド５内に収容配置されている。冷凍機３は、前記図５，６に示したものと基本的に同一であるが、該冷凍機３のシリンダ２１が前記真空容器７に直接取り付けられている点で大きく異なっている。即ち、前記冷凍機３の第１シリンダ２１ａ上部に形成された取付フランジ２８が前記真空容器７に気密に取り付けられており、該第１シリンダ２１ａ下部の前記第１冷却端部３ａに設けられた第１熱接続部２４ａは、輻射シールド５にボルト等の固着手段によって緊密に熱接続した状態で取り付けられ、前記第２シリンダ２１ｂの下部の前記第２冷却端部３ｂに設けられた第２熱接続部２４ｂは、熱スイッチ４の第１伝熱部材８にボルト締結等により固着されて熱接続されている。これにより、前記冷凍機最下端部の低温端部である前記第２熱接続部２４ｂは、前記第１伝熱部材８、第２伝熱部材１７、熱スイッチ４、超電導磁石の保持部材（伝熱部材）２及び前記保持枠１ａを介して超電導磁石１を冷却する様に構成されている。
【００１１】
更に、この装置においては、前記冷凍機３の前記第１シリンダ２１ａ下部外周部の前記第１冷却端部３ａの近傍位置にニクロム線等で形成したヒータ９ａが巻着されており、又、前記第２シリンダ２１ｂの下部外周部の前記第２冷却端部３ｂの近傍位置にもニクロム線等で形成したヒータ９ｂが巻着されており、該ヒータ９ａ，９ｂによって夫々第１シリンダ２１ａ及び第２シリンダ２１ｂを加温可能になっている。そして、前記冷凍機のメンテナンス時には、これらのヒータ９ａ，９ｂを用いて前記シリンダ２１を昇温して該シリンダ２１のみを膨張させる事により、該シリンダ２１と内部のディスプレーサ２０との間隔を広げて、メンテナンスの必要な該シリンダ２１内のディスプレーサのみを取り出す様にしている。この取り出しには、次の２通りの方法が開示されている。
【００１２】
先ず、第１の方法は、装置の運転停止後に、前記ヒータ９ａ，９ｂに通電して前記第１シリンダ２１ａ及び第２シリンダ２１ｂの第１冷却端部３ａ及び第２冷却端部３ｂを加温すると、シリンダ部２１ａ，２１ｂが僅かに膨張し、内部の第１ディスプレーサ２０ａ及び第２ディスプレーサ２０ｂとの間の間隔が僅かに広がるので、この状態で該ディスプレーサ２０と上部の駆動部２２とからなる本体部分を前記シリンダ２１から抜き出して該本体部分のメンテナンスを行う。該本体部分の取り出しを終えるとヒータへの通電を停止して該シリンダの昇温を終了する。前記熱スイッチ４の内部に封入されたヘリウムやネオン等の伝熱媒体は、ヘリウムの場合は液体で存在し、ネオンの場合には固体で存在するので、前記ディスプレーサ２０を取り出した後の前記冷凍機の第１シリンダ２１ａ及び第２シリンダ２１ｂを経て熱スイッチ４に流入する外部入熱は、これらヘリウムやネオンの相変化に伴う潜熱によって吸収される事になる。そして、前記冷凍機の保守点検や取り替えは、本体部分のみであるから、取り外しから再装入までの時間は僅かであるので、この間の熱侵入も僅かとなり、熱スイッチ４内の伝熱媒体の熱容量を、この本体部分の取り出し，再装入の時間に耐えられるだけのものに設計されている。
【００１３】
次に、第２の方法は、装置の運転停止後に前記ヒータ９ａ，９ｂに通電し、前記第１シリンダ２１ａ及び第２シリンダ２１ｂの低温端部３ａ，３ｂを加温して該シリンダ２１ａ，２１ｂを僅かに膨張させ、内部のディスプレーサ２０を抜き出すと共に、熱スイッチ４内の伝熱媒体を真空ポンプによって抜き出し、熱スイッチ４内を真空にして該熱スイッチ４を熱的にＯＦＦとなす方法である。この場合は、ディスプレーサ２０の点検に多少手間取っても前記冷凍機のシリンダを通して超電導磁石１に侵入する外部入熱は、ＯＦＦ状態の該熱スイッチ４によって最小限に抑える様にしている。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１１−１６２７２６号公報（図１）
【特許文献２】
特開２００２−２５２１１１号公報（図１，図２）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来装置において、先ず、図４に示した特許文献１に記載の装置においては、冷凍機のメンテナンスが必要なのは該冷凍機のシリンダ内部のディスプレーサと駆動部からなる本体部分のみであるにも拘らず、冷凍機全体を取り出す様にしているので、これを取り出した後でも真空容器内の真空状態を維持する為に、該冷凍機を内蔵させるための取付シリンダ３０を必要としている点がある。従って、真空容器７や輻射シールド５に別途上下の取付シリンダ３１ａ，３１ｂを設ける必要があり、構造を徒に複雑にしているのみならず、装置の部品点数の増加と共に加工工程や組立工程が増加してコスト増加をもたらしている。更に、取付シリンダ３０内に再度新しい冷凍機３を装着した後の前記第１冷却端部３ａや第２冷却端部３ｂの前記第１熱接続部３３や第２熱接続部３５との接続状態は冷凍機３の装着状態によって変化するので、その接触状態が悪いと大きな熱抵抗を生じさせる問題もあった。又、超電導磁石１との熱的接続状態を良好にするには、超電導磁石１及びその保持枠１ａ〜第２取付熱接続部３５〜第２冷却端部３ｂの間の熱抵抗を最小限にする必要があり、特に、冷凍機の第２冷却端部３ｂと前記取付シリンダ３０の第２取付熱接続部３５との間は着脱自在となっているので、他の部分に比して伝熱抵抗が大きくなるおそれがあり、限られた冷凍能力で超電導磁石の冷却を行わなければならない無冷媒式超電導磁石装置においては、この部分の伝熱抵抗の存在は無視し得ない存在となる。
【００１６】
又、特許文献１の装置においては、前記取付シリンダ３０内に連通する液体ヘリウム貯槽を別途配置し、前記第２取付熱接続部３５を該液体ヘリウムの蒸発潜熱によって所定の温度に保持する構成を取っているが、前述した様に、液体ヘリウムは、蒸発潜熱が非常に小さく、その取扱いも難しく且つ高価であるという問題、即ち、液体ヘリウムに代えて前記冷凍機を採用する際の解決課題を再び持ち込む事になる。従って、前記冷凍機を取り外した期間に超電導磁石に侵入する外部入熱を補償するに充分な液体ヘリウムの貯槽や液体ヘリウムの煩雑な取扱いが要求されるという問題が蒸し返される事になる。
【００１７】
一方、特許文献２に記載の装置においては、上記した特許文献１について記載した問題点を解決している点で優れているが、冷凍機の前記ディスプレーサを大気に晒した状態で前記シリンダ内への挿入する事になり、この結果、ディスプレーサ内の蓄冷材の周囲の空間には空気が入り込む事になる。この様にディスプレーサ内に空気が存在する状態で冷却が開始されると、極低温下では空気中の成分である窒素や酸素や炭酸ガスが固化して前記蓄冷材の表面に付着する事になり、蓄冷材とディスプレーサ内を流通するヘリウムガスとの間の伝熱特性が低下し、冷凍機の性能を低下させる問題が生じている。更に、短時間とは言え低温部に積極的に熱を加えるのも、好ましい事ではない。
【００１８】
本発明は、係る問題点に鑑みてなされたものであり、液体ヘリウム貯槽の如き取扱いの困難な設備を用いる事なく簡便な構造で容易に冷凍機のメンテナンスが行える様になすと共に、メンテナンス後の冷凍機の性能低下を生じない様にした新たなメンテナンス方法の提供を目的とするものである。即ち、前記特許文献２に記載のメンテナンス方法の改善を図る事を目的とするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
係る目的の元になされた本発明のメンテナンス方法は、前記冷凍機のメンテナンス作業を空気の存在しないヘリウムガス雰囲気下で行う様にしたものであり、具体的には、ヘリウムガスを充満させた作業用グローブボックス内でメンテナンス作業を行う方法である。詳しくは、真空容器に装着されている被交換用の古冷凍機の該真空容器から露出している部分を柔軟性を有する材料で形成したグローブボックスで覆う様に、該グローブボックスを前記真空容器に装着すると共に、メンテナンス初期におけるグローブボックス内のガスをヘリウムガスに置換するのを容易にするために、前記グローブボックスに、ヘリウムガスの導入口と、排気は許容するが吸気は許容しない逆止弁とを形成しておき、該グローブボックス内には、内部のガスが予めヘリウムガスで置換されているシリンダ内に装着されたディスプレーサと、該ディスプレーサに連結された駆動部とを有し、内部がヘリウムガスで置換された交換用の新冷凍機が装入されており、且つ、前記ヘリウムガスの導入口を介して前記グローブボックス内にヘリウムガスを充満しておき、該グローブボックス内において、前記新冷凍機の前記シリンダから前記ディスプレーサと駆動部とからなる新本体部分を抜き出して分離すると共に、前記古冷凍機のシリンダからディスプレーサと駆動部とからなる古本体部分を抜き出して分離し、続いて、前記新本体部分を前記古冷凍機のシリンダ内に装入する様にしたものである。あるいは、真空容器に装着されている被交換用の古冷凍機の該真空容器から露出している部分を柔軟性を有する材料で形成したグローブボックスで覆う様に、該グローブボックスを前記真空容器に装着すると共に、メンテナンス初期におけるグローブボックス内のガスをヘリウムガスに置換するのを容易にするために、前記グローブボックスに、ヘリウムガスの導入口と、排気は許容するが吸気は許容しない逆止弁とを形成しておき、該グローブボックス内には、シリンダ内に装着されたディスプレーサと、該ディスプレーサに連結された駆動部とを有し、内部がヘリウムガスで置換された交換用の新冷凍機が装入されており、且つ、前記ヘリウムガスの導入口を介して前記グローブボックス内にヘリウムガスを充満しておき、該グローブボックス内において、前記新冷凍機の前記シリンダから前記ディスプレーサと駆動部とからなる新本体部分を抜き出して分離すると共に、前記古冷凍機のシリンダからディスプレーサと駆動部とからなる古本体部分を抜き出して分離し、続いて、前記新本体部分を前記古冷凍機のシリンダ内に装入し、これら一連の作業が、前記グローブボックス（１０）内をヘリウムガスで置換した後に、ヘリウムガスを該グローブボックス（１０）内に通気しつつ行われるものであってもよい。尚、前記グローブボックスには、作業員の両手を挿入する両手袋部が内側に突出して形成されているものが特に好ましい。
【００２０】
又、低温の前記シリンダ（古冷凍機のもの）に常温の前記ディスプレーサ（新冷凍機のもの）を接触させて、低温の前記シリンダ（古冷凍機のもの）を昇温して膨張させ、かつ、常温の前記ディスプレーサ（新冷凍機のもの）を冷却して収縮させることが好ましい。これにより、新本体部分を前記シリンダ内に挿入するに当り、前記シリンダの上部の常温から約４Ｋの最下端部の第２冷却端部までの大きな温度勾配が存在するので下方ほど熱収縮しており、常温の前記新本体部分を挿入するには多少の抵抗が存在するが、低温のシリンダに常温のディスプレーサが接すると、シリンダ側は昇温して膨張し、ディスプレーサ側は冷却されて収縮するので、さほど時間を要することなく比較的容易にディスプレーサの挿入を進行させることができる。
又、前記真空容器には台状の突出部が形成されており、該突出部の上面から前記冷凍機が前記真空容器内に装入されており、前記グローブボックスは、前記突出部の外周部に装着する様になすのは好ましい態様である。
【００２１】
又、前記新冷凍機の前記シリンダは、冷凍機用の本物である必要はなくダミーのシリンダであってもよい。又、新冷凍機のシリンダ内のガスを予めヘリウムガスに置換する事なく前記グローブボックス内に装入し、該グローブボックス内のガスを真空ポンプで脱気した後、該グローブボックス内にヘリウムガスを供給する事により、グローブボックス内へのヘリウムガスの充填操作と前記新冷凍機の前記シリンダ内のガスのヘリウムガスへの置換操作とを同時に行う様にするのも好ましい態様である。
【００２３】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を実施例に基づいて図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るメンテナンス方法の概念図であり、超電導磁石１を内蔵した真空容器７の上面には台状の突出部７ａが形成されており、冷凍機３は、該台状の突出部７ａの上面から真空容器７内に挿入されて該冷凍機３のシリンダ２１の上部取付フランジ２８の部分で該真空容器７内と気密に装着されている。又、前記台状の突出部７ａの外周部のグローブボックス取付部１１には、作業員の両手を挿入するための両手袋部１０ａ，１０ｂが内側に突出して形成されている柔軟性を有する塩化ビニール等の材料で形成されたグローブボックス１０が装着されている。このグローブボックス１０は、超電導磁石装置の運転時には取り外されているもので、前記冷凍機３のメンテナンス作業を行う直前に、前記冷凍機３の露出部（駆動部２２）を覆い込む様に前記突出部７ａの外周部に装着されるものである。
【００２４】
前記グローブボックス１０には、ヘリウムガス導入口１２と、排気は許容するが吸気は許容しない逆止弁１３とが設けられている。これにより、メンテナンス作業に先立って、前記突出部７ａの外周部に装着されたグローブボックス１０を萎ませて内部の空気を前記逆止弁１３から排出し、続いて、予め準備されているヘリウムガスボンベ４６から圧力調整弁４５を有するヘリウム配管４４を前記ヘリウムガス導入口１２に接続して、グローブボックス１０内にヘリウムガスを供給して、該グローブボックス１０内の空気をヘリウムガスで置換する。この置換作業は、グローブボックス内へのヘリウムガス供給→グローブボックス内のガス放出→ヘリウムガス供給→ガス放出→ガス供給−−−−の作業を繰り返して、グローブボックス内には残留空気が実質的に存在しない程度にまで数回実施する。尚、上述の説明では、グローブボックスに逆止弁１３を設けた例について説明しているが、これは、開閉弁を有する排気ノズルであっても構わない。この場合には、内部ガスを排気するときには主動で弁を開け、ヘリウムガスの供給時には弁を閉じる操作を行う事は言うまでもない。又、排気ノズルを使用する場合には、該排気ノズルを真空ポンプに接続して強制排気した後にヘリウムガスボンベ４６からヘリウムガスを供給する様になせば、上記したヘリウムガス供給→ガス放出の工程を１回程度に短縮することが可能となる。
【００２５】
次に、本発明のメンテナンス方法を、図２に示す工程図によって説明する。先ず、同図（ａ）は準備工程を示すもので、前述の要領でグローブボックス１０を前記真空容器７の突出部７ａに装着すると共に、グローブボックス内の残留空気をヘリウムガスに置換する。この工程で重要な事は、図示している様に、交換用の新しい冷凍機（新冷凍機）３Ａを、前記グローブボックス１０内に予め装入している点である。又、この新冷凍機３Ａは、前述のシリンダ２１Ａの内部にディスプレーサ２０Ａが挿入されており、上部には、該ディスプレーサ２０Ａに接続され且つ２本のヘリウムガス配管（ヘリウムガス導入用と排出用）２７を備えた駆動部２２Ａが配置されている。そこで、前記グローブボックス１０内に該新冷凍機３Ａを装入する前に、前記ヘリウムガス配管２７からヘリウムガスを供給して、新冷凍機内部、特に、ディスプレーサ内部に残留している空気をヘリウムガスに置換しておくのが好ましい。尚、新冷凍機３Ａの内部ガスをヘリウムガスに置換する方法としては、上述のヘリウムガス流通法の他、前記配管２７に接続した配管に切替弁を配置し、一方をヘリウムガスボンベに接続し、他方を真空ポンプに接続して、先ず内部を真空にした後に切替弁の操作によってヘリウムガスを供給する方法も可能である。これにより、新冷凍機３Ａ内の蓄冷材表面に空気中の酸素や窒素や炭酸ガスが氷結して該蓄冷材と流通ヘリウムとの熱交換効率を低下させるのを防止する事が可能となる。
【００２６】
尚、前記新冷凍機３Ａは、新品の完成品でもよいが、本発明では、後述する如く前記ディスプレーサ２０Ａと駆動部２２Ａとからなる冷凍機本体部分のみを取り替えるものであるので、新冷凍機３Ａの前記シリンダ２１Ａは、本物と同一寸法形状のダミーでもよい。
【００２７】
次に、図２（ｂ）の工程では、作業員は、図１に示しているグローブボックス１０内に形成されている作業用両手袋１０ａ，１０ｂ内に両手を入れて、前記グローブボックス１０内に装入されている新冷凍機３Ａから、駆動部２２Ａ，ディスプレーサ２０Ａとからなる新本体部分３Ａ’を抜き出す。この状態では、グローブボックス１０内にはヘリウムガスが充満しているので、露出したディスプレーサ２０Ａ内にヘリウムガス以外のガスが侵入する事はない。又、ボルトを回すためのレンチやスパナ等のメンテナンス用工具も、前記新冷凍機３Ａと共に、前記グローブボックス１０内に事前に装入されている事もいうまでもない。又、図１ではグローブボックス１０内に作業用両手袋１０ａ，１０ｂを形成している図が示されているが、グローブボックス自体は塩化ビニール樹脂やポリエチレン或いはポリプロピレンの如き柔軟性を有する薄い樹脂フィルム或いはシートで形成されるものであるので、この作業用両手袋１０ａ，１０ｂを省略し、グローブボックス自体の柔軟性を利用して外部から該グローブボックス内の部品や工具を掴んで作業を行う事も可能である。
【００２８】
次に、図２（ｃ）の工程では、作業員は、前述の両手袋１０ａ，１０ｂ内に両手を装入して、前記グローブボックス１０内で、前記真空容器７から使用済の古冷凍機３Ｂから、シリンダ２１Ｂを残して駆動部２２Ｂとディスプレーサ２０Ｂとからなる古冷凍機の本体部分（古本体部分）３Ｂ’を抜き出す。
【００２９】
次に、図２（ｄ）の工程では、取り出した古本体部分３Ｂ’に替えて前記新本体部分３Ａ’を真空容器７に装着されている前記古冷凍機のシリンダ２１Ｂ内に挿入固定して、冷凍機の取り替えを行う。この新本体部分３Ａ’を前記シリンダ２１Ｂ内に挿入するに当り、前記シリンダ２１Ｂの上部の常温から約４Ｋの最下端部の第２冷却端部３ｂまでの大きな温度勾配が存在するので下方ほど熱収縮しており、常温の前記新本体部分３Ａ’を挿入するには多少の抵抗が存在するが、前記シリンダ内面と前記ディスプレーサとの間にはヘリウムガスが流通する微小間隔が存在し、且つ、低温のシリンダに常温のディスプレーサが接すると、シリンダ側は昇温して膨張し、ディスプレーサ側は冷却されて収縮するので、さほど時間を要することなく比較的容易にディスプレーサの挿入が進行する。
【００３０】
この一連の作業が終了すると、前記グローブボックス１０を真空容器７から取外して、新冷凍機による冷却運転を開始し、超電導磁石装置の運転を再開する事になす。
【００３１】
以上の説明から明らかな様に、グローブボックス１０の内部は、作業員にとって内視可能でなければならないので、該グローブボックス１０は、全体を透明な樹脂シートで形成するか、少なくとも作業員にとってボルトの位置や取り替え部品の配置位置が容易に分かる様な適度の大きさの覗き窓が形成されている事はいうまでもない。
【００３２】
又、グローブボックス１０内は、常に正圧に保持しておく事が好ましいので、図１において、作業中もヘリウム導入口１２からヘリウムガスを少量づつ供給すると共に、逆止弁１３又は排出ノズルからヘリウムガスを排出しつつ、即ち、ヘリウムガスを通気しつつメンテナンス作業を行う様になす方法もある。
【００３３】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
〔実施例１〕
図３は、本発明によるメンテナンス方法によって冷凍機の取り替え作業を行った場合の、冷凍機の運転を停止してからの経過時間と、超電導磁石装置の各部の温度変化を示したグラフであり、図中（ａ）は超電導磁石１の温度変化を示し、（ｂ）は冷凍機の第２冷却端部３ｂの温度変化を示し、（ｃ）は冷凍機の第１冷却端部３ａの温度変化を示し、（ｄ）は輻射シールド５の温度変化を夫々示している。尚、使用した新冷凍機の内部は、事前にヘリウムガスによって略完全に置換されている。同図において、時間ｔ０で冷凍機の運転を停止し、直ちに冷凍機の配管２７の取り外しとグローブボックス１０の装着及び該グローブボックス１０内のヘリウムガス置換並びに新冷凍機３Ａから新本体部分３Ａ’の抜き出しが行われ、続いて古冷凍機３Ｂから古本体部分３Ｂ’の抜き出しが行われ、その一連の作業は、前記冷凍機停止から約１５分後の時間ｔ１で終了している。この時間帯（ｔ０〜ｔ１）においては、古冷凍機を通して行われる常温の外気と低温の内部との熱伝導及び輻射シールドへの熱輻射によって該冷凍機の第１冷却端部３ａの温度が上昇を開始している（曲線ｃ参照）。しかしながら、他の部分（曲線ａ，ｂ，ｄ）の温度上昇は殆ど認められない。続いて、時間ｔ１から前記新本体部分３Ａ’の挿入が開始され、冷凍機停止後約１９分経過した時間ｔ２で、その挿入取り付けが完了する。この間の初期には、古シリンダ２１Ｂ内に常温のヘリウムガスが流入してくると共に、常温の新本体部分３Ａ’が徐々に挿入されてくるので、第１冷却端部３ａ及び第２冷却端部３ｂの温度も急速に上昇する（曲線ｃ，ｂ参照）。又、前記第１冷却端部３ａの昇温により該第１冷却端部３ａによって冷却されている輻射シールド５の温度も昇温を始める（曲線ｄ参照）。続いて、時間ｔ２から時間ｔ３（冷凍機停止後約２５分経過した時点）の間は、前記グローブボックス１０の取り外し作業と露出した新本体部分３Ａ’の配管２７を通して行う新冷凍機内部のヘリウムガスパージを行う期間であり、この間に、前記第１冷却端部３ａと輻射シールド５の昇温は僅かに認められるが、第２冷却端部３ｂの温度上昇は殆ど生じていない。続いて、新本体部分３Ａ’のヘリウム配管２７への配管復旧作業が行われ、全ての作業が完了した時間ｔ４（冷凍機停止後約２８分経過した時点）で新冷凍機の運転か再開され、前記第１冷却端部３ａと第２冷却端部３ｂの冷却が開始されている。尚、前記第２冷却端部３ｂの昇温により、超電導磁石の温度上昇も始まっているが、その最高到達温度も高々３２Ｋ程度である（曲線ａ参照）。
【００３４】
上記の実施例から、本発明のメンテナンス法によると、冷凍機の停止から約２８分で冷凍機の取り替え作業が完了して新冷凍機による運転再開が行われている事が分かる。この間に超電導磁石の温度は約３２Ｋ程度にまで昇温しているが、元の４Ｋレベルにまで下がって超電導磁石の励磁が可能な状態に回復するには、約２．５時間程度である（曲線ａ参照）。又、尚、第２冷却端部３ｂが冷凍機停止前の温度レベル（約４Ｋ）に回復するのも、約２．５時間程度である（曲線ｂ参照）。従って、本発明方法によると、冷凍機停止から超電導磁石を再励磁するまでに必要な時間は僅かに２時間半程度であり、これは、１週間の装置停止が要求されていた従来のメンテナンス方法と対比すると、驚異的な値であることが理解されよう。
【００３５】
更に、図７に示した如く第２冷却端部３ｂと超電導磁石１との間に、ヘリウムやネオンを充填した熱スイッチ４を配置している場合には、メンテナンスのための冷凍機の停止に合わせて、該熱スイッチ内のガスを真空ポンプで脱気する様にしておけば、前記第２冷却端部３ｂが多少昇温しても、熱スイッチ内が真空状態（ＯＦＦ状態）になっているので、該第２冷却端部３ｂから超電導磁石１への入熱を一層抑制する事が可能になり、その結果、超電導磁石１の昇温が抑制され、前述した冷凍機停止から超電導磁石の再励磁までの時間を更に短縮する事も可能である。
【００３６】
次に、前記新冷凍機３Ａ内をヘリウムガスで置換した場合の効果について、実施例を用いて説明する。
〔実施例２〕
次の３つのケースについて、超電導温度まで冷却させて冷却能力を比較した。その結果を表１に示す。
ケース１：冷凍機内部の残留空気をヘリウムガスで完全に置換した新冷凍機を用いて、これをヘリウムガスを充満させたグローブボックス内で交換した場合（実施例１のケース）
ケース２：新冷凍機のシリンダから本体部分を大気中で抜き出し、その後に、該本体部分のみをグローブボックス内に装入して交換した場合
ケース３：ケース２で超電導温度まで冷却された冷凍機を、一旦室温まで昇温して内部をヘリウムガスで置換し、再度超電導温度まで冷却した場合
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１において、１ｓｔ，２ｎｄは、夫々冷凍機３の第１冷却端部３ａ及び第２冷却端部３ｂを意味し、ヒータの欄の数字は、夫々前記第１冷却端部及び第２冷却端部のシリンダ外周部に捲着したヒータからの入熱であって、冷凍機３への熱負荷を意味し、又、温度の欄は、夫々前記第１冷却端部３ａ及び第２冷却端部３ｂの各熱負荷状態における到達温度を意味している。
【００３９】
同表から明らかな様に、新冷凍機の内部を事前にヘリウムガスに置換し、グローブボックス内で本体部分を抜き出して古い冷凍機の本体部分と取り替えたケース１では、第２冷却端部３ｂの温度は、熱負荷がない場合には３．２１Ｋに到達し、１Ｗの熱負荷を与えた場合でも４．７２Ｋに達している。一方、新冷凍機から大気中で本体部分を抜き出し、グローブボックス内で古い冷凍機の本体部分と取り替えたケース２では、第２冷却端部３ｂの温度は、熱負荷がない場合には３．２８Ｋに到達しているが、１Ｗの熱負荷を与えた場合には５．１７Ｋと、０．４５Ｋも高い値で止まっている。これは、ケース２の場合には、冷凍機内に空気が残留しており、これが冷却過程で液化してディスプレーサ内の蓄冷材の表面に付着し、更に冷却が進行すると固化して蓄冷材表面に氷結体の薄膜を形成する結果、ディスプレーサ内部を流通するヘリウムガスとの伝熱性能が低下して冷凍機の性能を低下させているものと考えられる。特に、通常の超電導磁石に使用されているＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎからなる超電導線では、４Ｋ近傍における臨界電流値の温度依存性が非常に大きいので、上記第２冷却端部における熱付加時の０．４５Ｋの到達温度の差は、超電導磁石への通電電流値の上限を大きく左右し、単なる伝熱特性の良否に留まらず、超電導磁石の発生磁場レベルの差となって現れてくる。この意味から、事前に冷凍機内をヘリウムガスで置換しておくことは、極めて大きな効果のあることが分かる。因みに、このケース２の冷凍機を常温まで昇温して内部をヘリウムガスでパージする事により、ディスペーサ２０内の蓄冷材表面に付着していた空気を除去して再度冷却試験を行ったケース３では、前記第２冷却端部における熱付加時の到達温度は４．８４Ｋであり、ケース２に比して０．３３Ｋも改善されている。
【００４０】
上記実施例２から、冷凍機の本体部分を取り替える際に、事前に冷凍機内部をヘリウムガスで置換しておく事は冷凍機の性能を最高に発揮させる為には極めて重要な事が分かる。尚、上記ケース１では、グローブボックス内に新冷凍機を装入する前に該冷凍機内のガスをヘリウムガスに置換する操作を行っているが、グローブボックス内に装入する時点では係る内部ガスの置換を行う事なく装入しておき、グローブボックスの内部を真空脱気する事により、該グローブボックス内に置かれている新冷凍機内も真空に脱気されるので、その後にグローブボックス内にヘリウムガスを供給する事によって、該グローブボックス内へのヘリウムガスの充満操作と新冷凍機の内部ガスのヘリウムガスへの置換操作とを同時に行う事も可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明によれば、冷凍機３のメンテナンス作業をヘリウムガスを充満させたグローブボックス内で行う様になし、且つ、冷凍機全体を取り替えるのではなく、シリンダを除く本体部分のみを交換する様にしているので、メンテナンス操作が極めて短時間に行える様になり、超電導磁石装置の停止時間も短くって、装置の稼働率を飛躍的に高める事が可能となる。
【００４２】
又、本発明では、冷凍機の取り替えに当り、シリンダ部分は残して本体部分のみを交換する様にしているので、図４に示した従来装置の如く冷凍機取付シリンダ３０を不要とし、従って、装置の構成部品も少なくなり、超電導磁石装置のコストダウンに貢献する。又、前記冷凍機取付シリンダ３０の存在による伝熱抵抗も少なくなるので、従来の冷凍機全体を再装着した場合に生じる前記冷凍機取付シリンダ３０と輻射シールド５や超電導磁石１との熱接続の不安定さの問題は全く生じる事はなく、超電導磁石装置の冷却効率も向上させる事が可能となる。
【００４３】
又、冷凍機の取り替えに当り、事前にディスプレーサ内のガスをヘリウムガスに置換しているので、該ディスプレーサ内に残留する空気の液化及び固化による蓄冷材と内部流通ヘリウムガスとの熱交換特性の低下も生じないので、冷凍機の性能を十分に発揮させる事ができ、超電導磁石装置の性能も初期性能を維持させる事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法を示す概念図である。
【図２】本発明に係る超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法の工程を示す概念図である。
【図３】本発明に係る超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法によるメンテナンス時間の経過と超電導磁石装置の主要内部温度の変化を示すグラフである。
【図４】従来の超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法を示す装置の概略図である。
【図５】二段蓄冷式冷凍機の外観図である。
【図６】図５に示した二段蓄冷式冷凍機の要部断面図である。
【図７】従来の超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法を示す他の装置の概略図である。
【符号の説明】
１ 超電導磁石
３ 二段蓄冷式冷凍機（冷凍機）
３ａ 第１冷却端部
３ｂ 第２冷却端部
３Ａ 新冷凍機
３Ａ’ 新冷凍機の本体部分
３Ｂ 古い冷凍機
３Ｂ’ 古い冷凍機の本体部分
４ 熱スイッチ
５ 輻射シールド
７ 真空容器
７ａ 台状の突出部
１０ グローブボックス
１０ａ，１０ｂ グローブボックスの両手袋部
１１ グローブボックス取付部
１２ グローブボックスのヘリウム導入口
１３ グローブボックスの逆止弁
２０ 冷凍機のディスプレーサ
２０ａ 第１ディスプレーサ
２０ｂ 第２ディスプレーサ
２０Ａ 新冷凍機のディスプレーサ
２０Ｂ 古冷凍機のディスプレーサ
２１ 冷凍機のシリンダ
２１ａ 第１シリンダ
２１ｂ 第２シリンダ
２１Ａ 新冷凍機のシリンダ
２１Ｂ 古冷凍機のシリンダ
２２ 駆動部
２２ａ バルブユニット
２２ｂ モーター
２２Ａ 新冷凍機の駆動部
２２Ｂ 古冷凍機の駆動部
２７ ヘリウムガス配管

Claims (7)

1. 真空容器（７）内に超電導磁石（１）を配置し、該超電導磁石（１）を、前記真空容器（７）に装着された冷凍機（３）によって冷却する構成の超電導磁石装置における前記冷凍機（３）のメンテナンス方法であって、
   前記真空容器（７）に装着されている被交換用の古冷凍機（３Ｂ）の該真空容器（７）から露出している部分を柔軟性を有する材料で形成したグローブボックス（１０）で覆う様に、該グローブボックス（１０）を前記真空容器（７）に装着すると共に、
   前記グローブボックス（１０）に、ヘリウムガスの導入口（１２）と、排気は許容するが吸気は許容しない逆止弁（１３）とを形成しておき、
   前記グローブボックス（１０）内には、内部のガスが予めヘリウムガスで置換されているシリンダ（２１Ａ）内に装着されたディスプレーサ（２０Ａ）と、該ディスプレーサ（２０Ａ）に連結された駆動部（２２Ａ）とを有し、内部がヘリウムガスで置換された交換用の新冷凍機（３Ａ）が装入されており、且つ、前記ヘリウムガスの導入口（１２）を介して前記グローブボックス（１０）内にヘリウムガスを充満させておき、
   前記グローブボックス（１０）内において、前記新冷凍機（３Ａ）の前記シリンダ（２１Ａ）から前記ディスプレーサ（２０Ａ）と駆動部（２２Ａ）とからなる新本体部分（３Ａ'）を抜き出して分離すると共に、前記古冷凍機（３Ｂ）のシリンダ（２１Ｂ）からディスプレーサ（２０Ｂ）と駆動部（２２Ｂ）とからなる古本体部分（３Ｂ'）を抜き出して分離し、
   続いて、前記新本体部分（３Ａ'）を前記古冷凍機のシリンダ（２１Ｂ）内に装入することを特徴とする超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法
2. 真空容器（７）内に超電導磁石（１）を配置し、該超電導磁石（１）を、前記真空容器（７）に装着された冷凍機（３）によって冷却する構成の超電導磁石装置における前記冷凍機（３）のメンテナンス方法であって、
   前記真空容器（７）に装着されている被交換用の古冷凍機（３Ｂ）の該真空容器（７）から露出している部分を柔軟性を有する材料で形成したグローブボックス（１０）で覆う様に、該グローブボックス（１０）を前記真空容器（７）に装着すると共に、
   前記グローブボックス（１０）に、ヘリウムガスの導入口（１２）と、排気は許容するが吸気は許容しない逆止弁（１３）とを形成しておき、
   前記グローブボックス（１０）内には、シリンダ（２１Ａ）内に装着されたディスプレーサ（２０Ａ）と、該ディスプレーサ（２０Ａ）に連結された駆動部（２２Ａ）とを有し、内部がヘリウムガスで置換された交換用の新冷凍機（３Ａ）が装入されており、且つ、前記ヘリウムガスの導入口（１２）を介して前記グローブボックス（１０）内にヘリウムガスを充満させておき、
   前記グローブボックス（１０）内において、前記新冷凍機（３Ａ）の前記シリンダ（２１Ａ）から前記ディスプレーサ（２０Ａ）と駆動部（２２Ａ）とからなる新本体部分（３Ａ ' ）を抜き出して分離すると共に、前記古冷凍機（３Ｂ）のシリンダ（２１Ｂ）からディスプレーサ（２０Ｂ）と駆動部（２２Ｂ）とからなる古本体部分（３Ｂ ' ）を抜き出して分離し、
   続いて、前記新本体部分（３Ａ ' ）を前記古冷凍機のシリンダ（２１Ｂ）内に装入するものであり、
   これら一連の作業が、前記グローブボックス（１０）内をヘリウムガスで置換した後に、ヘリウムガスを該グローブボックス（１０）内に通気しつつ行われるものであることを特徴とする超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法
3. 低温の前記シリンダ（２１Ｂ）に常温の前記ディスプレーサ（２０Ａ）を接触させて、前記シリンダ（２１Ｂ）を昇温して膨張させ、かつ、前記ディスプレーサ（２０Ａ）を冷却して収縮させることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法
4. 前記グローブボックス（１０）には、作業員の両手を挿入する両手袋部（１０ａ，１０ｂ）が内側に突出して形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法
5. 前記真空容器（７）には台状の突出部（７ａ）が形成されており、該突出部（７ａ）の上面から前記冷凍機（３）が前記真空容器（７）内に装入されており、前記グローブボックス（１０）は、前記突出部（７ａ）の外周部に装着されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法
6. 前記新冷凍機（３Ａ）の前記シリンダ（２１Ａ）が、ダミーシリンダである請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法
7. 前記新冷凍機（３Ａ）の前記シリンダ（２１Ａ）内のガスを予めヘリウムガスに置換する事なく前記グローブボックス（１０）内に装入し、該グローブボックス（１０）内のガスを真空ポンプで脱気した後、該グローブボックス（１０）内にヘリウムガスを供給する事により、グローブボックス内へのヘリウムガスの充填操作と前記新冷凍機（３Ａ）の前記シリンダ（２１Ａ）内のガスのヘリウムガスへの置換操作とを同時に行う様にしてなる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置用冷凍機のメンテナンス方法

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