JP5833284B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導電磁石などの構造物を極低温に冷却する装置に関する。

上記のような構造物は、一般に、極低温液体槽に少なくとも部分的に浸漬することによって冷却される。ＭＲＩ（核磁気共鳴撮像）スキャナやＮＭＲ（核磁気共鳴）スキャナ用の超伝導電磁石コイルなどの超伝導構造物の場合、使用される極低温液体は、液体ヘリウムである。典型的な極低温液体槽は、約１０００リットルレベルの量の液体ヘリウムを保持する。

製造の最終段階において、極低温に冷却された超伝導磁石は、トレーニングサイクルにかけられる。即ち、磁石がクエンチ（常電導への転移）なしに電流を維持できるまで電流が繰り返しランプアップ（増加）される。このようなトレーニングサイクルの間に１回又は複数回のクエンチ現象が生ずることがあるので、かなりの量の極低温液体が消費される。

上記の「ランプアップ」とは、超伝導電磁石に導入する電流を徐々に増やすことを指す。最大電流まで増やされると最大磁界が生成され、超伝導電磁石は、「ランプダウン」するまで、即ち電流が磁石から除去されて生成された磁界がゼロに低下するまで、この状態に維持される。

液体ヘリウムのコストの増大と世界的な不足のために、超伝導磁石を低温に冷却するために使用されトレーニングサイクルで失われる液体ヘリウムの量並びに極低温冷媒槽に蓄えるヘリウムの量を減らす必要がある。いくつかの特許は、必要なヘリウムの量を少なくするスペーサ、即ち超伝導磁石部品を少ない量のヘリウムで冷却し、極低温冷媒槽に浸漬する必要をなくすための様々なタイプのヒートリンクを提案している（例えば、特許文献１参照）。また、いくつかの例においては、比較的少量のヘリウムを冷却ループで循環させる。この冷却ループは、液体ヘリウムである程度満たされ、被冷却機器と熱接触させ、ヘリウムをその液体状態に維持するように構成された極低温冷凍機と連結された熱伝導性パイプである（例えば、特許文献２参照）。

これらの解決方法はすべて、コストを高める構成要素を必要とする。また、これらは、例えば、冷却管の漏れなどの故障リスクが高まる。さらに、これらは、クエンチした場合に危険である可能性がある。例えば、スペーサがガス流路を制限したり、冷却ループがクエンチエネルギーを十分に高速に伝達できないときにコイルが過熱したりする。磁石内に蓄積されるヘリウムが殆んど
なくなるので、輸送中に磁石を低温に維持するために、例えば、出願中の英国特許出願０５１５９３６．３に記載されているような冷凍窒素を入れたタンクなどの特別な解決策が必要である。
欧州特許出願公開第１５２２８６７号明細書 国際公開第９５／０８７４３号パンフレット

本発明は、極低温液体槽に浸漬する必要をなしに、超伝導電磁石コイルなどの物品を冷却する装置を提供することを目的とする。

本発明は、更に、冷却ループ装置を設ける必要なし、極低温冷媒の残留量がかなり少ない状態で従来形の極低温容器を使用することを可能にする、超伝導電磁石コイルなどの物品を冷却する方法及び装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、特許請求の範囲に記載したような装置を提供する。即ち、「環状中空円筒形であってその円筒中心軸が水平な極低温容器の内部に収容された超伝導磁石を極低温に冷却する装置であって、前記極低温容器の内部を満たす極低温ガスと、前記極低温容器の外周部に配設され、かつ前記極低温ガスを冷却するために前記極低温容器の内側にさらされた冷却面を有する冷凍機と、前記極低温容器内で前記極低温ガスを熱対流により自然循環させるように構成されており、極低温容器内に、液化された極低温ガスが、液化されていない極低温ガスと熱平衡状態で超伝導磁石と接触しない状態に供給され、かつ、前記液化されていない極低温ガスが、前記循環の際に冷凍機によって冷却されることにより液化され、さらに、前記液化されていない極低温ガスが、前記超伝導磁石からの熱によって加熱され、前記極低温ガスの循環により超伝導磁石が極低温に冷却されるように構成されたガス流発生器と、を有することを特徴とする装置。」、あるいは「環状中空円筒形であってその円筒中心軸が水平な極低温容器の内部に収容された超伝導磁石を極低温に冷却する装置であって、前記極低温容器の内部を満たす極低温ガスと、前記極低温ガスを冷却するために前記極低温容器の内側にさらされた冷却面を有し、極低温容器内で熱対流によって極低温ガスを自然循環させるように前記極低温容器の外周部上方に配設された冷凍機であって、前記極低温容器内に、液化された極低温ガスが、液化されていない極低温ガスと熱平衡状態で超伝導磁石と接触しない状態に供給され、かつ、前記液化されていない極低温ガスが、前記循環の際に冷凍機によって冷却されることにより液化され、さらに、前記液化されていない極低温ガスが、前記超伝導磁石からの熱によって加熱され、前記極低温ガスの循環により超伝導磁石が極低温に冷却されるように構成された冷凍機と、を有することを特徴とする装置。」である。

本発明の目的、利点及び特徴は、添付図面と関連して特定の実施形態の以下の説明により明らかになるであろう。

本発明は、極低温液体槽に被冷却機器を浸漬したり熱伝導管内に極低温冷媒を循環させたりせずに、極低温容器内で被冷却機器のまわりに自由に循環する冷却用極低温ガスの流れを使用する。

本発明のいくつかの実施形態において、被冷却機器のまわりの極低温ガスの循環は、例えばファンによる強制循環によって生成される。他の実施形態においては、気体循環は、ループ経路のまわりの自然熱対流によって生成される。後者の実施形態は、非対称設計の磁石を冷却するのに特に適していることが分かった。そのような構成は、一般に、十分な対流を作り出すために非対称的に位置決めされた冷凍機及び／又はヒータを含む。この実施形態において極低温ガスとしてヘリウムガスを使用することは、温度によるヘリウムの密度の変化が極めて大きいので、特に有利である。

本発明によれば、極低温ヘリウムガスを含むが液体ヘリウムを含まない冷凍機が非対称的に配置された従来の極低温容器内に保持された場合、市販の超伝導ＮＭＲ磁石の磁界を最大値まで上昇させゼロまで下げる運転が成功裏に実施できることが、実験的に実証された。

いくつかの既知の極低温冷却システムは、再凝縮冷凍機を備える。極低温液体は、沸騰し、被冷却機器から必要な蒸発潜熱を得て、その温度を極低温液体の沸点に維持することによって被冷却機器を冷却する。再凝縮冷凍機は、ボイルオフした極低温冷媒からこの潜熱を除去し、その極低温冷媒をその液体状態に戻し、それによりシステムからの極低温冷媒の全ボイルオフがゼロ又は実質的にゼロになるようにする働きをする。極低温液体は、極低温ガスと熱平衡状態にある。このようなゼロボイルオフシステムは、ボイルオフした極低温冷媒を再凝縮する再凝縮冷凍機の他に、通常、過剰ヘリウムを蒸発させるヒータを有するため、本発明によって提案される気体循環冷却による冷却の改良に最も適している。ヒータは、ヘリウムの過冷却を防ぐために用いられる。再凝縮冷凍機の効果が高すぎると、ボイルオフがほとんど起こらないように極低温冷媒が冷却され、被冷却機器の上側部分が、ボイルオフした極低温冷媒によって冷却されなくなり、被冷却機器の下側部分が上側部分よりも低い温度になる場合がある。冷凍機とヒータを被冷却機器の両側に非対称的に配置することによって、機器を超伝導状態に維持するのに十分な対流ガス流が作り出される。

図１は、本発明の実施形態により冷凍機とヒータによって生成される対流ガス流の一例を示す。この例では、環状の円筒形極低温容器１０が示されており、これは、ＭＲＩ又はＮＭＲスキャナ用のソレノイド超伝導電磁石を収容するために通常使用されるタイプの容器である。容器１０は、ヘリウム、窒素、アルゴン、水素、ネオンなどの極低温ガスで満たされる。ゼロボイルオフクライオスタットで従来使用されているように、再凝縮冷凍機１２が備えられている。再凝縮冷凍機１２は、極低温容器１０の内部に露出した再凝縮面を有する。再凝縮冷凍機は、湾曲した壁面に、容器の片側に非対称的に配置されることが好ましい。図示した実施形態において、ヒータ１４が、極低温容器内に設けられ、極低温ガス内に熱対流１６を引き起こすのに適した位置に配置される。図１に示したように、ヒータ１４の適切な位置は、再凝縮冷凍機の正反対側である。

対流を起こしやすくするために、ヒータと冷凍機は中心線ＡＡの反対側に配置され、また冷凍機は垂直方向においてヒータより高い位置に配置されることが好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。使用時には、当業者にとって明らかなように、冷凍機１２は極低温冷媒ガスを冷却する。冷却されたガスの密度は、ヘリウムガスの場合には特にそうであるが、高くなり、従って冷却されたガスは、冷凍機から循環１６の矢印の方向に下降する傾向がある。一方、ヒータ１４は極低温冷媒ガスを加熱し、ヘリウムの場合には特に、極低温冷媒ガスが膨脹する。これにより、循環１６の矢印の方向に極低温冷媒ガスが上昇する。

本発明による、冷凍機１２及びヒータ１４の配置と動作によって作り出されるガスの循環１６は、ＭＲＩ又はＮＭＲ画像システム用のソレノイド超伝導電磁石など、容器内に配置される任意の被冷却機器のまわりで、極低温容器内に自由なガスの流れを引き起こす。被冷却機器から発生する熱、外部からの流入熱、及びヒータ１４の熱出力を含む系に提供される総熱量が、冷凍機１２の冷却能力を超えないように注意しなければならない。

実際には、極低温冷媒ガスが常に十分に供給されるように、少量の極低温液体が極低温ガスと熱平衡した状態で容器内に残っていてもよい。この極低温液体は、冷凍機の再凝縮効果によって生成又は維持することができる。

従って、本発明による冷却機構は、極低温液体を極くわずかしか必要とせず、またゼロボイルオフで軽量のシステムを作成するように構成することができる。本発明による対流又は強制ガス循環を使用し極低温液体を極くわずかしか使用しないもしくは全く使用しない冷却には、以下の利点がある。クエンチ毎に失われる極低温液体の量が極めて少ないので、トレーニングサイクルのコストが削減される。クエンチ時のコストの大部分は、クエンチの結果として失われる極低温液体の材料コストと、クエンチが終わった後で被冷却機器を動作温度に冷却するために使用される極低温液体のコストとを加えたものからなる。クエンチで失われるほ極低温液体のほとんどは、蒸発せず、ガス膨脹によって極低温容器から押し出される。クエンチ後に磁石内に残る極低温液体の量が、最初の極低温液体の量にほとんど依存せず、従って最初に磁石内が１００％と５０％一杯になっている場合にどちらも最後には２０％になることが知られている。本発明によれば、容器内に比較的少量の極低温液体が提供され、従ってクエンチの際の極低温液体の損失も比較的少量である。出荷後に極低温液体がほとんどもしくは全く必要ないので、現場の設置コストが削減される。

輸送経路が短い場合は、システムを、本発明により機器を冷却するために使用される極低温ガスを容器１０に充填した状態で出荷することができ、１か月にわたる海上輸送のようなより長い経路の場合は、被冷却機器をその動作温度に維持するために、輸送中にボイルオフする極低温冷媒を極低温容器に充満させることができる。そのような構成は、輸送中に冷凍貯蔵装置又は冷凍機を作動させる必要がある小容量システムでは不可能である。前者の冷凍貯蔵装置は高価であり、後者の冷凍機は、飛行機上では不可能であり、陸上又は海上輸送中に作動させるのは高価である。本発明によって提供されるようなシステムは、輸送用に満杯にすることができるが実質的に空で動作することができ、魅力的な選択肢である。

また、クエンチ圧力が低くなるので、クエンチが発生した場合に被冷却機器が破損する危険性が低下するので有利である。容器１０内の極低温液体の量がかなり少なく、大量の極低温液体が放出されないので、クエンチ中の容器内のガス圧はかなり低い。更に、このような低い最大ガス圧を有する特徴によって、クエンチ中の最大ガス圧が既知のシステムのガス圧より低くなるので、極低温容器１０の設計が安価になる。

同様に、極低温容器内に提供される極低温液体の量が極めて少ないので、クエンチパイプやアクセスタレットとして知られる放出された極低温冷媒の漏れ経路を、従来のシステムの経路よりかなり小さく作成することができる。この結果、製造コストが減少し、クエンチパイプを介した熱流入が減少する。

好ましい実施形態において、冷凍機と場合によって存在するヒータの非対称配置により十分なガス対流が保証される場合は、超伝導電磁石などの装置を冷却するゼロボイルオフ極低温容器は、極低温液体が全くまたは極くわずかしかない状態で首尾良く動作することができる。いくつかの実施形態においては、ヒータは必要ではない。冷凍機の位置を中心線ＡＡからずらせば、循環流を維持するのに十分である。冷凍機は対流を維持するように連続的に動作しなければならない。

極低温冷媒材料のコスト削減の他に、本発明によって提供されるような液体を使用しない磁石は、クエンチの場合に受ける応力が小さい。代替の実施形態においては、冷却は冷凍機によって行われるが、極低温ガスの循環が必要な場合には、ファンなどのガス流発生器によって行われるか又は支援される。

極低温容器内に極低温液体がない状態で、本発明による冷却ガス循環によって冷却しながら、Ｓｉｅｍｅｎｓ（登録商標） ＭＡＧＮＥＴＯＭ Ａｖａｎｔｏ（登録商標）磁石を最大磁界までランプアップし、最大磁界で保持し、ゼロまでランプダウンすることに成功した。磁石は、クエンチすることなく運転できた。

特に再凝縮冷凍機に関して説明したが、本発明は、沸点より高い温度で使用される極低温ガスにも適用することができ、その場合、冷凍機は、再凝縮冷凍機としては動作しない。そのような実施形態における冷凍機は、冷却冷凍機として動作し、極低温容器内に極低温液体はない。そのような実施形態は、特に、臨界温度がヘリウムの沸点より十分に高いが窒素の沸点より低いいわゆる高温超伝導体（ＨＴＳ）線材料（３９Ｋの臨界温度を有するＭｇＢ₂など）を使用するシステムで有用なことがある。液体ネオン（そのような材料の天然極低温液体）は高価である。上記のようなＨＴＳ線を使用した機器を冷却するために、約２０Ｋの温度の気体ヘリウムを使用する本発明の実施形態を有用に利用することができる。１０Ｋ又は２０Ｋの低い温度の冷凍機は、再凝縮４．２Ｋ低温ヘッドより安価である。

本発明によって冷却されるソレノイド磁石コイルを収容するために使用されるソレノイドクライオスタットの例を示す図である。

符号の説明

１０ 極低温容器
１２ 冷凍機
１４ ヒータ
１６ 循環（対流）

Claims (9)

1. 環状中空円筒形であってその円筒中心軸が水平な極低温容器（１０）の内部に収容された超伝導磁石を極低温に冷却する装置であって、
   前記極低温容器（１０）の内部を満たす極低温ガスと、
   前記極低温容器（１０）の外周部に配設され、かつ前記極低温ガスを冷却するために前記極低温容器（１０）の内側にさらされた冷却面を有する冷凍機（１２）と、
   前記極低温容器内で前記極低温ガスを熱対流により自然循環させるように構成されており、極低温容器内に、液化された極低温ガスが、液化されていない極低温ガスと熱平衡状態で前記超伝導磁石と接触しない状態に供給され、かつ、前記液化されていない極低温ガスが、前記循環の際に冷凍機によって冷却されることにより凝縮され、さらに、前記液化されていない極低温ガスが、前記超伝導磁石からの熱によって加熱され、前記極低温ガスの循環により前記超伝導磁石が極低温に冷却されるように構成されたガス流発生器と、を有することを特徴とする装置。
2. ガス流発生器がファンを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ガス流発生器が、前記極低温容器（１０）内で前記極低温ガスを熱対流（１６）によって循環させるためのヒータ（１４）を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. ヒータ（１４）が前記極低温容器（１０）の内部に設けられ、前記ヒータ（１４）と前記冷凍機（１２）とは、前記極低温容器（１０）の円筒中心軸と直交する環状面を二等分して垂直方向に延びる中心線（ＡＡ）の両側に別れて対向配置され、さらに前記冷凍機が前記垂直方向において前記ヒータより高い位置に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 環状中空円筒形であってその円筒中心軸が水平な極低温容器（１０）の内部に収容された超伝導磁石を極低温に冷却する装置であって、
   前記極低温容器（１０）の内部を満たす極低温ガスと、
   前記極低温ガスを冷却するために前記極低温容器（１０）の内側にさらされた冷却面を有し、極低温容器内で熱対流（１６）によって極低温ガスを自然循環させるように前記極低温容器（１０）の外周部上方に配設された冷凍機（１２）であって、前記極低温容器内に、液化された極低温ガスが、液化されていない極低温ガスと熱平衡状態で超伝導磁石と接触しない状態に供給され、かつ、前記液化されていない極低温ガスが、前記循環の際に冷凍機によって冷却されることにより凝縮され、さらに、前記液化されていない極低温ガスが、前記超伝導磁石からの熱によって加熱され、前記極低温ガスの循環により超伝導磁石が極低温に冷却されるように構成された冷凍機（１２）と、を有することを特徴とする装置。
6. 極低温容器内に、極低温ガスの前記熱対流（１６）による循環をさらに促進するためのヒータ（１４）を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記ヒータ（１４）と前記冷凍機（１２）とは、前記極低温容器（１０）の円筒中心軸と直交する環状面を二等分して垂直方向に延びる中心線（ＡＡ）の両側に別れて対向配置され、さらに前記冷凍機が前記垂直方向において前記ヒータより高い位置に配置されたことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 極低温ガスが、ヘリウム、窒素、アルゴン、水素及びネオンの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 極低温ガスがヘリウムを含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。

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