JP5306216B2 - 超電導マグネットの冷却法 - Google Patents

Description

本発明は、一つ以上の超電導マグネットを冷却するための方法に関する。

従来より、超電導マグネット及びそのクライオスタットの冷却は、材料に高い応力が生じるのを避けるために先ずクライオスタットの冷媒容積室にゆっくりと液体窒素を導入して約８０Ｋの液体窒素温度に冷却することから始めるのが一般的である。このようにして冷媒容積室に液体窒素が収容されると、引き続き冷媒容積室にはヘリウムが周囲温度でゆっくりと吹き込まれ、これにより冷媒容積室内の液体窒素は完全ではないにせよその蒸発気体窒素と共に冷媒容積室からパージされて取り除かれる。この際に超電導マグネット及びクライオスタットの温度平均値は一時的に再び約１００〜１１０Ｋへ上昇する。その後、引き続き調整された流量で供給される液体ヘリウムにより、クライオスタットの冷媒容積室が液体ヘリウムで満たされる前に超電導マグネットとそのクライオスタットは約４．５Ｋの液体ヘリウム温度にまで冷却される。

しかしながら、この従来の方式では、プロセスに起因して大きな温度差が現れることから液体ヘリウムの消費量が比較的大きくなると共に、パージの目的で装入したヘリウムが周囲の大気中に逃散されるので無視できない割合でヘリウムの損失が生じるという欠点がある。ヘリウム資源が世界中で乏しくなるのに伴ってヘリウムの価格上昇が著るしい状況では、ヘリウムを消費するプロセスにおけるヘリウムを極力回収可能とするという原則的な要望がある。

また従来の方式では、冷却の初期段階における液体窒素の「直接的使用」とそれに伴う冷却系の汚染が不可避であり、次の冷却段階でヘリウムを冷却系に導入しても洗浄効果は完全とはならず、冷却系から残留液体窒素を残りなくパージすることはできない。しかしながら、このように冷却系に残留窒素が存在するという事実はいまや超電導マグネットの動作挙動に望ましくない影響を与え、例えば超電導マグネットのクエンチ傾向を促進して超電導マグネットが突然にオーム抵抗を示すことがある。更に従来の方式では、周囲温度と液体窒素温度との間に生じる温度差のため、液体窒素の使用時にもヘリウムの使用時にも冷却プロセスが熱力学的に、従って経済的にも、極めて非効率である。

本発明の課題は、一つ以上の超電導マグネットを冷却するための方法として、前述の従来方式の諸欠点を解消することのできる超電導マグネットの冷却法を提供することである。

この課題は、本発明に係る超電導マグネットの冷却法によれば、一つ以上の超電導マグネットの冷却を、少なくとも二つの温度レベルのヘリウム流からなる一つ以上のヘリウム流を専ら冷媒に用いて行うことにより解決される。

本発明に係る超電導マグネットの冷却法の好適な一形態によれば、異なる温度レベルのヘリウム流同士を混合することによって冷却系に相応の入口温度が生成される。この場合、一つ以上の超電導マグネットの冷却は、先ず第１ステップで周囲温度レベルのヘリウム流と液体窒素温度レベルのヘリウム流とからなる第１混合ヘリウム流を冷却対象の超電導マグネットの冷却系に供給し、引き続く第２ステップで液体窒素温度レベルのヘリウム流と実質的に１０Ｋの温度レベルのヘリウム流とからなる第２混合ヘリウム流を冷却対象の前記超電導マグネットの冷却系に供給することにより行われる。

本発明によれば、超電導マグネット冷却用の冷媒としては、いまや専らヘリウムのみが使用される。尚、本発明においても、特にヘリウムの予冷など、冷却プロセスの部分的な一次寒冷源として液体窒素を必要に応じて間接熱交換の冷媒に使用することができるのは述べるまでもない。超電導マグネットの本来の冷却を専らヘリウムで行うことにより、クライオスタットの冷媒容積室に対して相応の予備的な浄化処理を施しておくだけで冷媒の残留汚染については無視することが可能となる。その結果、相応に冷却中の超電導マグネットのクエンチ傾向は著しく低減すると共に、従来はクエンチ現象の発生と不可避的に結び付いていた無視できないヘリウム損失を著しく低減することができる。

更に、本発明に係る超電導マグネットの冷却法では、冷却対象の超電導マグネットとその冷却用の冷媒流との間の温度差が比較的僅かであり、これは熱力学的に好ましいことである。同時に、冷却のためのヘリウムガスのプロセス流量を相応に大きく選ぶことによってヘリウムガスの熱伝導率を比較的大きく保つことができる。このように、超電導マグネットに対して比較的穏やかな冷却は加速冷却を可能とし、超電導マグネットの起動時間を著しく短縮することが可能である。

本発明に係る超電導マグネットの冷却法では、超電導マグネットの冷却及びその冷却系への冷媒の充填は原理的にヘリウム寒冷設備のみによって可能である。従って、従来のように予備冷却用の窒素をパージするために超電導マグネットのクライオスタットを大気に対して開放するという望ましくない操作はもはや不要である。更に、超電導マグネット冷却系への液体ヘリウムの充填は液体ヘリウムポンプを使用することによって比較的迅速に行うことができる。それに加えて本発明に係る方法では液体ヘリウムの消費量を著しく節約可能である。従来の方式では冷却後の液体ヘリウムを回収してから浄化し、更に再液化しなければならなかったが、本発明による方法では閉ループ循環系の冷却系内でヘリウムを有効利用することが可能であり、従って最終的に大気中へ失われるヘリウムの割合も本質的に低減可能である。

本発明に係る超電導マグネットの冷却法の好適な一形態によれば、一つ以上の超電導マグネットの冷却は、先ず第１ステップで周囲温度レベルのヘリウム流と液体窒素温度レベルのヘリウム流とからなる第１混合ヘリウム流を冷却対象の超電導マグネットの冷却系に供給し、引き続く第２ステップで液体窒素温度レベルのヘリウム流と実質的に１０Ｋの温度レベルのヘリウム流とからなる第２混合ヘリウム流を冷却対象の前記超電導マグネットの冷却系に供給することにより行われる。

本発明に係る超電導マグネットの冷却法とその有利な実施形態を図示の実施例と共に詳述すれば以下の通りである。

本発明による冷却法を実施するための超電導マグネット冷却用冷媒ヘリウム循環系の一形態を示す系統図である。

図１においては、複雑化を避ける理由から本来は各所に設けられている所要の制御用弁類が図示を省略されているが、これは以下に述べる説明から当業者には制御用弁類の図示がなくとも充分に理解できるからである。

図１に概略の構成を示した冷媒ヘリウム循環系は、二つの超電導マグネットＭ１、Ｍ２を冷却するためのものである。単段又は多段圧縮機ユニットＣ（ここでは好ましくはスクリュー圧縮機システムが利用される）によってヘリウムは概ね周囲圧力で吸入され、約１３〜２０バールの圧力（高圧）に圧縮される。尚、必要に応じて圧縮機ユニットＣの下流側に設けられる冷却器（水冷）と油分離器は図示を省略してある。

圧縮機ユニットからの高圧ヘリウム流は管路１を介して第１熱交換器Ｅ１の冷却側に供給され、この熱交換器内で後述する中圧ヘリウム流及び低圧ヘリウム流との間接熱交換と、別の予冷用管路２を介して熱交換器Ｅ１に通される液体窒素との間接熱交換で約８０Ｋの液体窒素温度に冷却される。

次いで、液体窒素温度に冷却された高圧ヘリウム流の浄化処理が好ましくは吸着式の浄化器Ａで行われる。この浄化器Ａでは、場合によって高圧ヘリウム流中に存在する例えば空気等の不所望の残留不純物の分離が行われる。浄化器Ａの吸着ユニットは好ましくは充分に余裕のある吸着能力で冗長に構成されており、また装入されている吸着剤を再生するための図示しない再生手段を備えている。

第１熱交換器Ｅ１から浄化器を経て管路３に導かれる高圧ヘリウム流は第１〜３の三つの部分流（４、１１、１５）に分流可能である。第１部分流は管路４を介して膨張タービンＸに供給され、タービンＸに動力を渡して減圧膨張されることにより２〜３バールの中圧に減圧される。この減圧された中圧ヘリウム流は引き続き管路５〜１０を介して第２熱交換器Ｅ２と第１熱交換器Ｅ１の各加温側に順に通され、最終的に周囲温度まで加温されてから圧縮機ユニットＣの吸入側へ供給可能である。

高圧ヘリウム流の第２部分流は管路１１を介して第２熱交換器Ｅ２の冷却側に供給され、この熱交換器Ｅ２内で加温されるべき系内プロセス流との熱交換で更に冷却される。この第２部分流は、熱交換器Ｅ２を通過した後に管路１２を介して第２膨張タービンＸ’に供給され、このタービン内で同様に減圧膨張されることにより２〜３バールの中圧に減圧された約１０Ｋの寒冷ヘリウム流となる。この中圧寒冷ヘリウム流は管路１３に送り出され、該管路１３からは管路１４、１９〜２１、１０を介して熱交換器Ｅ１の加温側に通され、最終的に周囲温度まで加温されてから圧縮機ユニットＣの吸入側へ供給可能である。

高圧ヘリウム流の第３部分流も管路１５から管路７に合流されて中圧ヘリウム流として管路６〜１０を介して第１熱交換器Ｅ１の加温側に通され、最終的に周囲温度まで加温されてから圧縮機ユニットＣの吸入側へ供給可能である。

このように、図示の冷媒ヘリウム循環系には、異なる温度レベルの三つの中圧ヘリウム流が存在する。これら三つの中圧ヘリウム流とは、第２膨張タービンＸ’で減圧されて管路１３に現れる温度約１０Ｋのヘリウム流と、熱交換器Ｅ１の冷却側出口から管路１５を介して管路７に現れる液体窒素温度レベルに相当する約８０Ｋのヘリウム流と、第２熱交換器Ｅ２と第１熱交換器Ｅ１により周囲温度まで加温されて管路８に現れるヘリウム流である。

既に述べたように、図示の冷媒ヘリウム循環系は専ら二つの超電導マグネットＭ１、Ｍ２を冷却するためのものであるが、冷却すべきマグネットの数は限定の意図を持つものではない。マグネットＭ１、Ｍ２の各クライオスタット冷媒容積室は本来の冷却プロセスの開始前に、必要な限りの回数（数回）で乾燥ヘリウムガスを循環させる予備的な浄化処理によって排気及び洗浄し、望ましくない残留物、例えば空気や湿気等の不純物を充分に取り除いておく。尚、このために必要な系統機器は複雑化を避ける理由から図示を省略してある。

上述の浄化処理を終えて本来の冷却プロセスを開始するには先ず弁ａを開き、これにより管路２６と３０を介して周囲温度の気体中圧ヘリウム流が超電導マグネットＭ１とＭ２の冷媒容積室へ供給される。同時に弁ｂを開き、これにより管路２４と３０を介して温度約８０Ｋの気体中圧ヘリウム流が超電導マグネットＭ１とＭ２の冷媒容積室へ供給される。これら両方の中圧ヘリウム流は管路３０で混合されて第１混合ヘリウム流となり、従って各弁ａ，ｂの開度調整により混合比を変えることによって両マグネットの冷媒容積室の入口温度を周囲温度と温度約８０Ｋとの間の所望するあらゆる温度レベルに調整することができる。こうして両マグネットＭ１及びＭ２を周囲温度から約８０Ｋの温度レベルまで連続的に下降する温度変化で冷却することが可能である。

両マグネットＭ１及びＭ２の冷媒容積室から出てくる還流ヘリウムガスはマグネットから熱を奪って加温されており、この還流ヘリウムガスは弁ｆを開くことにより管路３１から管路２５を経由して熱交換器Ｅ１の加温側に導入され、この熱交換器Ｅ１内で加温されてから、管路２０、２１、１０を介して圧縮機ユニットＣの吸入側へ戻される。

超電導マグネットＭ１、Ｍ２が８０Ｋより僅かに上の予め定められた温度レベルにまで冷却された時点になると、この時点では既に管路２６を経由する中圧ヘリウム流の供給は終了し、専ら管路２４をから約８０Ｋの中圧ヘリウム流が供給されているが、この温度レベルにまで冷却された時点で弁ｃが開かれ、温度約１０Ｋの気体中圧ヘリウム流が管路１６から管路３０を介して第２混合ヘリウム流として両マグネットＭ１、Ｍ２の冷媒容積室へ供給される。この場合も各弁ｂ，ｃの開度調整により混合比を変えることによって両マグネットの冷媒容積室の入口温度を約８０Ｋと約１０Ｋとの間の所望するあらゆる温度レベルに調整することができる。こうして両マグネットＭ１及びＭ２を液体窒素温度レベルから約１０Ｋの冷却温度レベルまで連続的に下降する温度変化で更に冷却することが可能である。

超電導マグネットＭ１、Ｍ２の冷媒容積室から出てくる還流ヘリウムガスはマグネットから熱を奪って加温されており、この還流ヘリウムガスは、当初は管路３１から既に開かれている弁ｆを介して管路２５を経由して第１熱交換器Ｅ１の加温側へ供給されているが、この還流の経路は両マグネットが予め定められた設定温度、例えば５０Ｋ〜６０Ｋを下まわるまでの間に維持されるにすぎない。両マグネットがこの設定温度を下まわるまで冷却された時点で弁ｆが閉じられ、代わりに弁ｇが開かれる。これにより、加温された還流ヘリウムガスはいまや管路３１から管路１７を経由して第２熱交換器Ｅ２の加温側へ供給され、この熱交換器から更に管路１８〜２１及び１０を介して圧縮機ユニットＣの吸入側へ戻される。

両マグネットＭ１及びＭ２の冷媒容積室から出てくる還流ヘリウムガスの温度が第２膨張タービンＸ’の出口温度（１０Ｋ）に達するまで冷却されると、その時点で弁ｇが閉じられ、代わりに弁ｈが開かれる。加温された還流ヘリウムガスはいまや管路３１から２３を介して熱交換器Ｅ２の低温側入口端に供給され、この熱交換器内で加温される。この還流ヘリウムガスも管路１８〜２１、１０により熱交換器Ｅ１の加温側を介して圧縮機ユニットＣの吸入側へ戻される。

ここで、超電導マグネットＭ１、Ｍ２から出てくる還流ヘリウムガスの温度と膨張タービンＸ’の出口温度との間の温度差が予め定められた値、好ましくは０．５〜１Ｋを下まわった時点になると弁ｃが閉じられて弁ｄが開かれる。これにより両マグネットＭ１、Ｍ２の冷媒容積室へは、弁ｄを介して管路２８により冷却系に接続されている液体ヘリウム貯留容器（ジュワー）Ｄからの液体ヘリウムが管路３０を介して導入され、従って各冷媒容積室には液体ヘリウムが充填されて完全にヘリウムの飽和蒸気温度にされる。その際に冷媒容積室から押しのけられる低温還流ヘリウムガスは弁ｈを介して前述の還流経路により圧縮機ユニットＣの吸入側に戻すことができ、或いは時間的にずらして冷却プロセスを実行する他の超電導マグネットの冷却に利用することもできる。また、この低温還流ヘリウムガスは、図示しない管路を介してジュワーＤに再充填することもできるが、このためには液体ヘリウムポンプを用いる必要がある。

以上に述べたプロセス、即ち、冷却対象の超電導マグネットのクライオスタットの浄化から始まってクライオスタットへの液体ヘリウムの充填で終了する冷却プロセスの全ての経過は自動制御方式で実行することができ、それにより人間による誤操作を排除することができる。

本発明に係る超電導マグネットの冷却法は、核磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）装置の超電導マグネットの冷却及びそのクライオスタットへの液体ヘリウムの充填との双方に併用するヘリウム冷凍設備で採用するのに特に好適である。但し、本発明に係る冷却法はこれに限定されるものではなく、例えば比較的穏やかな冷却が必要な場合、或いは冷却中に許容される温度差が比較的小さな値に制限される場合、冷却速度を管理する必要がある場合、冷媒としてのヘリウムの流量を高流量とすることが有利又は望ましい場合、そして冷媒中の不純物混入が望ましくない場合にも、超電導マグネットを冷却する方法として有利に採用することができる。

本発明に係る超電導マグネットの冷却法では、一つ以上の超電導マグネットの冷却及びそのクライオスタットへの液体ヘリウムの充填を時間的に並行して、或いは時間的にずらして実行することが可能であり、冷却対象の超電導マグネットの数は原理的に任意である。

Claims (11)

1. 少なくとも１つの超電導マグネットを、少なくとも２つの異なる温度レベルにある少なくとも２つのヘリウム流の混合物で冷却することによって、前記少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する工程を備え、
   前記少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する工程は、
   周囲温度レベルにある第１ヘリウム流と、周囲温度レベルより低い第１低温レベルにある第２ヘリウム流と、から成る第１の混合物で前記少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する工程と、
   第１低温レベルにある第２ヘリウム流と、第１低温レベルより低い第２低温レベルにある第３ヘリウム流と、から成る第２の混合物で少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する工程と、
   により行われる、少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する方法であって、
   圧縮機でヘリウム流を圧縮して高圧ヘリウム流を供給する工程と、
   前記高圧ヘリウム流を第１の間接熱交換で冷却する工程であって、前記高圧ヘリウム流が液体窒素との熱交換によって冷却される工程と、
   得られた冷却後の前記高圧ヘリウム流を、第１、第２、及び第３の部分流を含む少なくとも３つの部分流に分割する工程と、
   第１の部分流を膨張させて第１の中圧ヘリウム流を供給する工程と、
   第３の部分流を第１の中圧ヘリウム流と混合する工程であって、第３の部分流と第１の中圧ヘリウム流との混合物の少なくとも一部が第２ヘリウム流として使用される工程と、
   第２の部分流を第２の間接熱交換で冷却する工程であって、第２の部分流が第１の中圧ヘリウム流との熱交換によって冷却される工程と、
   第２の部分流を膨張させて第２の中圧ヘリウム流を供給する工程であって、第２の中圧ヘリウム流の少なくとも一部が第３ヘリウム流として使用される工程と、
   をさらに備えることを特徴とする、少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する方法。
2. 前記少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する工程は、
   第１ヘリウム流及び第２ヘリウム流の第１の混合物で前記少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する工程であって、第１の混合物を形成するために使用される第１ヘリウム流及び第２ヘリウム流の量が第１の混合物の温度を低下させるように変化させられる工程と、
   第２ヘリウム流だけで前記少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する工程と、
   第２ヘリウム流と第３ヘリウム流との第２の混合物で前記少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する工程であって、第２の混合物を形成するために使用される第２ヘリウム流と第３ヘリウム流との量が第２の混合物の温度を低下させるように変化させられる工程と、
   により行われる、請求項１に記載の方法。
3. 第１の混合物と第２の混合物を形成する前、及び前記少なくとも１つの超電導マグネットを冷却する前に、前記高圧ヘリウム流が液体窒素との熱交換により第１低温レベルに冷却される、請求項２に記載の方法。
4. 前記高圧ヘリウム流は、第１の間接熱交換において、第１の中圧ヘリウム流の少なくとも一部との間接熱交換により冷却される、請求項１に記載の方法。
5. 前記高圧ヘリウム流との第１の間接熱交換の後、第１の中圧ヘリウム流の少なくとも一部が第１ヘリウム流として使用される、請求項４に記載の方法。
6. 第１の混合物による前記少なくとも１つの超電導マグネットの冷却中に第１の混合物によって押しのけられたガスは、第１の間接熱交換に送られて前記高圧ヘリウム流との熱交換を受けた後、前記圧縮機に送られる、請求項１に記載の方法。
7. 第２の混合物による前記少なくとも１つの超電導マグネットの冷却中に第２の混合物によって押しのけられたガスは、第１の間接熱交換に送られて前記高圧ヘリウム流との熱交換を受けた後、前記圧縮機に送られる、請求項１又は６に記載の方法。
8. 第２の混合物による前記少なくとも１つの超電導マグネットの冷却中に第２の混合物によって押しのけられたガスは、第２の間接熱交換に送られて第２の中圧ヘリウム流との熱交換を受け、さらに第１の間接熱交換に送られて前記高圧ヘリウム流との熱交換を受けた後、前記圧縮機に送られる、請求項１又は６に記載の方法。
9. （ａ）まず、第２の混合物による前記少なくとも１つの超電導マグネットの冷却中に第２の混合物によって押しのけられたガスは、第１の間接熱交換に送られて前記高圧ヘリウム流との熱交換を受けた後、前記圧縮機に送られ、
   （ｂ）次に、第２の混合物による前記少なくとも１つの超電導マグネットの冷却中に第２の混合物によって押しのけられたガスは、第２の間接熱交換に送られて第２の中圧ヘリウム流との熱交換を受け、さらに第１の間接熱交換に送られて前記高圧ヘリウム流との熱交換を受けた後、前記圧縮機に送られる、請求項１又は６に記載の方法。
10. 第２の混合物により前記少なくとも１つの超電導マグネットを冷却した後、少なくとも１つの超電導マグネットは液体ヘリウムで冷却される、請求項２に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの超電導マグネットは、周囲温度から８０Ｋより低い温度まで冷却される、請求項１に記載の方法。

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