JP6703195B2

JP6703195B2 - 超電導磁石を加熱及び冷却するシステム

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Publication number: JP6703195B2
Application number: JP2019533647A
Authority: JP
Inventors: ロングスワース，ラルフ，シー．; ガンドラ，サントシュ，クマー
Original assignee: Sumitomo SHI Cryogenics of America Inc
Current assignee: Sumitomo SHI Cryogenics of America Inc
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: JP2020515038A; CA3047912A1; KR20190089230A; EP3559565A4; KR102133684B1; US20190316813A1; EP3559565A1; EP3559565B1; CA3047912C; US10704809B2; WO2018118019A8; WO2018118019A1

Description

本発明は、極低温冷凍システム、即ちクライオスタット内の寒剤により冷却された目標物体を極低温度から周囲温度まで加熱し、それにより、クライオスタットを移動することなく、真空を破壊することなく、目標物体を点検をした後に極低温度まで冷却することに関する。

極低温冷凍システムは、例えば、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）クライオスタットにおいて、超電導磁石を極低温度まで冷却することができる。超電導磁石は、通常、液体ヘリウム槽内で動作し、極低温冷凍システムにより冷却される。超電導磁石は、時々、点検の為に室温まで加熱する必要があり、点検後、また冷却される。理想的には、このことは磁石を移動することなく、真空を破壊することなく達成される。

ここで、極低温度は、１００Ｋ又は−１７３℃より低い温度として定義され、周囲温度は、２７３Ｋ又は０℃以上の温度として定義される。１つ以上の極低温冷凍システムにより冷却される装置、システム又は物体は、１つ以上の「目標物体」又は１つ以上の「低温物体」と呼ばれる。目標物体又は低温物体は、通常、ヘリウムのような寒剤内に直接又は間接的に配置される。目標物体又は低温物体は寒剤により冷却される。

また、小型のスターリング又はＧＭ冷凍機（即ち、極低温冷凍システム）のコールドエンドに直接接触することにより冷却される小型赤外線検出器から、大型ターボブレイトン型冷凍機により冷却される循環ヘリウムにより冷却される加速装置内の超電導磁石の大型アセンブリまで、極低温度で動作する多くの目標物体がある。単に冷凍機を停止すること、冷凍機を停止してヒーターにより目標物体を加熱すること、目標物体に電流を流すこと、暖かいガスを循環させること、及び真空を破壊することを含む、目標物体を加熱する様々な方法がある。

Longsworthによる米国特許第８４４８４６１号には、ＭＲＩ磁石を４０Ｋ又は−２３３℃より低い温度に素早く冷却するように設計されたブレイトンサイクル上で動作するエンジンが記載されている。このブレイトンサイクルエンジンを組み入れた冷凍機は、向流熱交換器に約２ＭＰａの吐出圧力でガスを供給する圧縮機を含み、圧縮機から吸入弁を通ってエンジンのコールドエンドの伸縮間隙にガスを導き、約０．８ＭＰａまでガスを断熱的に膨張し、（より低温の）膨張ガスを排出弁を通して排出し、真空ジャケット移送ラインを通して磁石クライオスタットまで低温ガスを循環させ、その後、向流熱交換器を通して圧縮機までガスを還流させる。

１ＭＰａのような高圧でヘリウムにより冷却されるＭＲＩクライオスタットが、最近開発されている。今日までに作られたＭＲＩ磁石のほとんどが、０．１ＭＰａの気圧でヘリウムにより動作するように設計されており、約０．３ＭＰａの最大圧力に耐えることができる。０．８ＭＰａの排気圧を有するブレイトンサイクルエンジンは、向流熱交換器内で、低圧で磁石クライオスタットを通って循環しているガスからの熱を高圧の冷凍機内のガスに伝達することにより、低圧でガスを冷却する為に使用することができる。Longsworthによる米国特許出願第２０１５／０３５４８６５号に記載されているように、磁石を冷却する為に磁石クライオスタットにこの熱交換器を配置することができるが、冷凍機クライオスタット内にこの熱交換器を配置することが好ましい。なぜなら、磁石を点検する為に必要な追加要素とより簡単に一体化することができるからである。

米国特許第８４４８４６１号の膨張器の素早い冷却を可能にする動作原理は、１）ガスが高圧から低圧へバイパスしないように極低温度より上の速度で稼働する能力、２）一定の高圧及び低圧（供給及び戻り）を維持する為にガス貯蔵タンクからガスを加えながら、冷却するにつれて速度を減速することである。これらと同じ動作原理が、ＧＭサイクル冷凍機にも適用されるが、ＧＭ冷凍機の冷却容量は分離したガス貯蔵タンクが通常不要であるくらい小さいものである。このことは、圧縮機、油分離器、及び吸着器内のガス容量が、冷却能力が少ししか減少しないように冷却中の圧力減少を少なく維持するのに十分な量であるからである。

ＧＭサイクル冷凍機は、往復運動するピストン／再生器アセンブリを含むシリンダのホットエンドに吸入弁及び排出弁を有する膨張器にガスラインを通して約２ＭＰａの吐出圧力でガスを供給する圧縮機を有し、ピストンがコールドエンドに位置しており、その後ホットエンドに移動する間、吸入弁は再生器を通してコールドエンドに吐出圧力ガスを供給し、ピストンがホットエンドに位置しており、その後コールドエンドに移動する間、排出弁を通して約０．８ＭＰａの戻り圧力で圧縮機にガスを戻す。ＧＭサイクル膨張器の好ましい構成の実施例は、米国特許第６２５６９９７号に記載されている。

Maguire等により米国特許第６３４７５２２号には、超電導ローターを含むクライオスタットに接続された供給及び戻り移送ラインを通して膨張器により冷却されたガスを循環させる手段と共に冷凍機クライオスタット内に複数のＧＭ膨張器を含むＨＴＳ（高温半導体）装置の冷却システムが記載されている。複数のＧＭ膨張器は、マニホールドガスラインを通して膨張器にガスを供給する複数の圧縮機のバンクに接続される。ガスを循環させる手段は、冷却中、冷凍機クライオスタット内に１つ又は２つのファンを含み、そして冷却後は超電導ローターの回転による。

ヘリウムを冷却剤として動作する単段ＧＭ及びブレイトンサイクル冷凍機は、約１２Ｋ又は−２６１℃まで低い温度での冷却を提供することができる。液体窒素を使用するより簡単な冷却システムを使用することもできるが、この冷却システムでは約８０Ｋ又は−１９３℃までしか冷却することができない。そのようなシステムはKudaravalliによる米国特許第６９４０００９号に記載されている。このシステムは、室温での循環器と、供給ガスを戻りガスにより予冷却する向流熱交換器と、液体窒素により冷却された熱交換器と、低温ガスが磁石を通って流れることを可能にする複数のラインと、を有する。

米国特許第６３４７５２２号にも米国特許第６９４０００９号にも、循環ガスの圧力は記載されていないが、気圧のわずかに上の圧力であると示唆されている。Atkins等による英国特許Ｇ２４３３５８１号には、気圧より高く２００ｋＰａより低い圧力でクライオスタットに接続された複数のラインを通して低温表面により冷却されたガスを循環させる汎用システムが記載されている。

本発明の１つ以上の実施形態によると、点検システムは、液体ヘリウム槽内で動作する、ここではシステムクライオスタットと呼ばれる、ＭＲＩクライオスタット内の超電導磁石を加熱及び冷却するように設計され、ネオン及び窒素のような他の極低温ガス又は液体により冷却された超電導モーター、再生器、変圧器、故障電流限流器等の他のシステムを加熱及び冷却する為に使用することもできる。一般的に、１００Ｋ又は−１７３℃より低い温度で動作するシステムを加熱及び冷却する為に使用することが最善である。

本発明は、目標物体を加熱後に冷却する移動可能な点検システムであり、クライオスタットを移動することなく、又は真空を破壊することなく、クライオスタットを通してガス状の寒剤を循環させることにより目標物体を加熱及び冷却することができる。典型的に、クライオスタットは分離した冷凍機により極低温度に維持される。点検システムは、点検が必要な目標物体クライオスタットの場所まで簡単に移動することができる複数のモジュールを有する。

主モジュールは、ガスを加熱する手段を有する１つ以上の熱交換器及びガスを冷却する１つ以上のＧＭ又はブレイトンサイクル膨張器により冷却される１つ以上の熱交換器を通して循環回路内にガスを循環させるファンを有する冷凍機クライオスタットであり、循環回路は、目標物体クライオスタットに接続する真空ジャケットラインを含む。１つ以上の圧縮機モジュールは、高圧及び低圧ガスラインを通って１つ以上の膨張器に接続し、供給及び戻りマニホールドに接続する複数の圧縮機及び複数の膨張器とは対照的に、好ましくは１つの圧縮機からのラインが１つの膨張器に接続する。

移動可能な点検システムは、必須のセンサに接続する制御装置、供給、通気及び安全弁、並びに真空ポンプを含み、全ての要素は、分離モジュールの一部であるか、好ましくは冷凍機モジュールの一部であることができる。制御システムは、加熱時間及び冷却時間が最小化されるように、ファンの速度、ヒーターの出力、及び膨張器の速度を制御することにより、目標物体の加熱及び冷却を制御する。ガスは２００ｋＰａより低い圧力で循環し、それにより、高圧で動作するように設計されたどの目標物体クライオスタットにも使用することができる。

本発明は、循環ガスにより加熱及び冷却することができる中型の極低温システムの点検システムとして設計されており、本発明の冷却能力により許容温度まで冷却することができる。本発明は、１人又は２人で７６ｃｍ幅のドアを通して移動することができるシステムのモジュールであるという要件で限定されるものである。点検システムは、点検するクライオスタット上の２つの差込口内に挿入される２つの真空ジャケット移送ラインを有する。これらの２つの差込口の１つ又は両方が、クライオスタット上の既存のカバーと置換するクライオスタット又は点検クライオスタットに設計されることができる。一方の差込口がクライオスタットの底部へガスを供給する又は底部からガスを戻し、他方の差込口がクライオスタットの頂部へガスを供給する又は頂部からガスを戻すことが好ましい。移送ラインがいずれかの差込口にはめ込まれる為に、システムクライオスタットを通る流れの方向を逆転させる為に、２つの移送ライン上の差込部は同一である必要があり、システムクライオスタット上の２つの受け口は移送ラインの差込部と適合する必要がある。

本発明の冷凍機は、低温を維持する為ではなく、システムを冷却する為に設計される。例えば、製造されたシステムは、超電導ＭＲＩ磁石を１週間以内に４０Ｋ又は−２３３℃より低い温度に冷却する為に設計される。その時点でシステムは移動され、残りの４Ｋ又は−２６９℃までの冷却は液体ヘリウムにより達成される。特定の磁石を、例えば、２９５Ｋから４Ｋまで、又は２２℃から−２６９℃まで冷却するのに２０００Ｌの液体ヘリウムが必要な場合、（液体窒素により）８０Ｋ又は−１９３℃まで予冷却した場合は約７８０Ｌの液体ヘリウムが必要であり、（冷凍機により）４０Ｋ又は−２３３℃まで冷却した場合は約１７０Ｌの液体窒素が必要であり、３０Ｋ又は−２４３℃まで冷却した場合は約１００Ｌしか液体ヘリウムを必要としない。典型的に、磁石を低温に維持する冷凍機は冷却時の一定の時点で作動され、点検システムが移動された後に冷却を継続する為に使用される。

目標物体クライオスタットまで真空ジャケット移送ラインを通って加熱又は冷却されたガスを循環される循環器をも含む、冷凍機クライオスタット内の１つ以上のＧＭ膨張器に接続された１つ以上の圧縮機を有するシステム１００の概略図である。目標物体クライオスタットまで真空ジャケット移送ラインを通って加熱又は冷却されたガスを循環される循環器をも含む、冷凍機クライオスタット内の１つ以上のブレイトン膨張器に接続された１つ以上の圧縮機を有するシステム２００の概略図である。

図１及び図２に図示される構成要素は、同等の部品を識別する為に同じ番号及び同じ図表示を使用している。低温ガスは高温ガスより密度が高いので、ほとんどの構成要素がコールドエンドを下にして図示されている。構成要素は、本件では１００Ｋ又は−１７３℃より低い温度である極低温度になっており、ハウジング内で０．１Ｐａより低い真空により周囲から断熱されており、アセンブリはクライオスタットと呼ばれる。

図１は、識別番号を有する１つのＧＭ冷凍機と、追加の冷凍機である識別番号を有していない第２のＧＭ冷凍機と、を図示するシステム１００の概略図である。典型的なＧＭ冷凍機は、圧縮機１、約０．８ＭＰａの低圧（戻り）ライン２、約２ＭＰａの高圧（供給）ライン３、及び膨張器５を含んでいる。本願の点検システムは、約１２Ｋ又は−２６１℃の最低温度を有するように設計された４つの単段ＧＭ膨張器を使用して製造されて試験される。本発明において、冷凍機が室温に近い高い能力を有することがより重要である、なぜなら、物質の比熱は、極低温度より室温ではより高くなるからである。例えば、ＭＲＩ磁石は、３００Ｋから４Ｋ又は２７℃から−２６９℃の間では３００ＭＪの熱が除去されるが、１００Ｋから４Ｋ又は−１７３℃から−２６９℃の間では５５ＭＪの熱しか除去されない。

本システムの膨張器は、１００Ｋより低い温度の時よりも速い、室温に近いより速い速度で動作するように設計されている。ＧＭ冷凍機冷却は、典型的には銅スリーブであるコールドエンド６において利用可能である。目標物体クライオスタット２０からコールドエンド６まで熱を移動することができるファン１８により循環されるガスが通る溝又は穴を含むコールドエンド６熱交換器７として組み立てることが好ましい。目標物体クライオスタット２０内で目標物体２１を加熱するには、銅スリーブの外側に巻きつけられる電気ヒーター８を有することが好ましい。そして、供給ガスライン２７、供給真空ジャケット移送ライン１６、目標物体クライオスタット２０を通り、戻り真空ジャケット移送ライン１７、戻りガスライン２８を通って循環ファン１８まで、加熱ガスを循環させる循環ファン１８を使用することが好ましい。本明細書において、この回路は、ファン回路又は循環回路の何れかと呼ばれ、両方とも目標物体クライオスタット２０を含んでいても含んでいなくてもよい。移送ライン１６及び１７は、冷凍機クライオスタット４内の差込受け口４６及び４７から、又は、目標物体クライオスタット２０内の穴２５及び２６から取り外すことができる。ヒーター８は、供給ガスライン２７に沿って他の場所に配置することができる。

１つの膨張器５しかない場合、ガスは１つのガス熱交換器７のみを通って循環される。２つの膨張器の場合、直列の複数の熱交換器７を通る循環ガス流を有することが好ましい。熱交換器が並列に接続されて１つの冷凍機が停止している場合、循環流は分離されて半分しか冷却されない。このことは、熱交換器が直列に接続されて１つだけの冷凍機が作動している時に、全ての循環ガスを同じ温度に冷却する場合に比べて、効率が悪い。更に冷凍機を追加した場合にもこの論理は同じである。冷凍機は一対で追加されることが好ましい。

システムクライオスタット２０は、動作中、目標物体２１を低温に維持する汎用クライオスタットとして図示されている。目標物体２１は、容器２２内に図示され、ヘリウム、ネオン、又は窒素等の寒剤２４に囲まれている。冷却要素目標物体クライオスタット２０は、真空４０、低温シールド２３、及び図示しない放射線遮蔽により室温から断熱されている。移送ライン１６及び１７が挿入される目標物体クライオスタット２０内の穴２５及び２６は、クライオスタットの頂部及び底部の近くで終わるように図示されている。ガスは容器２２内で層を形成するので、目標物体２１の冷却時には、クライオスタットの底部に低温ガス流を有し、矢印により図示されているように、より高温のガスがクライオスタットの頂部から除去され、磁石の加熱時には、流れが逆転し、高温ガスがクライオスタットの頂部に流れ、低温ガスがクライオスタットの底部から流れ出る。ファン１８は、ガスを一方向にのみ循環させるので、差込部は同一である必要があり、それにより、目標物体の加熱から冷却に変更する時に、移送ライン１６及び１７は穴２５及び２６を切り替えることができる。

図２は、１つのブレイトンサイクル冷凍機を図示するシステム２００の概略図である。追加のブレイトンサイクル冷凍機は、ブレイトンサイクルクライオスタット９内にそれぞれ取り付けられた膨張器（エンジン）と共に追加することができる。ＧＭ膨張器は、再生器熱交換器を通してコールドエンドまでガスを循環させる膨張器のホットエンド内に弁を有する。ブレイトン膨張器において、これらの機能は、往復運動するピストンを含むシリンダの外部にある。向流熱交換器１０は、ＧＭ冷凍機と同じ機能を果たし、コールドエンドに配置される吸入弁１２及び排出弁１３は、ＧＭ膨張器内の加熱弁と同じ機能を果たす。ブレイトン膨張器は、ＧＭ膨張器より、ライン３９のようなラインを通して遠隔負荷まで低温ガスを循環させることに関して利点を有する。この場合、ガスライン３９は、ファン１８により循環されるガスを冷却して目標物体クライオスタット２０内の目標物体２１を冷却する向流熱交換器１４を通って流れる。一般的に、熱交換器１４は、並列プレート式熱交換器であり、複数の細長い金属シートの間を流れる流体を熱接触させる。追加のブレイトン冷凍機を追加する場合、冷凍機内のガスは、他の冷凍機から分離したままにされる。第２の低温ガスライン３９を通って流れる低温ガスは、熱交換器１４内の分離した流路を通って流れる。目標物体２１を加熱する為に、供給ライン２７内のガスをヒーター１５と熱接触させる。このことは、熱交換器１４に使用する場合は並列プレート式熱交換器の周りに電気ヒーターを巻きつけることにより達成され、又は、供給ライン２７に分離した熱交換器を追加することにより達成される。圧縮機１及びガスライン２及び３は、図１に図示されているものと同じであることができる。ＧＭ冷凍機クライオスタット４及びブレイトン冷凍機クライオスタット９内の冷却要素は、真空４５及び図示しない放射線遮蔽により室温から断熱される。カバープレート１９、差込受け口４６及び４７、及び温度センサ４２及び４３を含む他の構成要素は、両方の冷凍機クライオスタットにおいて同じである。

システム１００及び２００は、ライン２９を通って冷凍機クライオスタット内の戻りライン２８まで接続する、同じガス供給／通気アセンブリを有する。冷却時に、又はライン洗浄時に、弁３４を開くことによって調整器３７により調整された圧力で、ガスシリンダ３６からガス循環ラインにガスが追加される。加熱時に、ライン３８を通して大気又はガス回収システムへガスを放出する為に弁３２を開くことにより、ガス循環ラインからガスが除去される。超過圧力時には、ガスは圧力逃し弁３１を通して通気ライン３８に放出される。一般的に、ガスは気圧よりも高い約１００ｋＰａの圧力で循環ラインを通って循環し、圧力が約２００ｋＰａに達すると圧力逃し弁３１が開く。目標物体が加熱された後で移送ライン１６及び１７が取り外された場合、冷却が始まる前に真空ポンプ３５を使用してガス循環ライン及び容器２２が排気される。ライン２９は、真空ポンプ３５の吸入ライン内の弁３３に接続し、真空ポンプ３５はライン３８に通気する。弁３２、３３及び３４は全て電磁弁であり、加熱／冷却点検システムの一部であるが図示されていない制御システムにより開閉される。圧力センサ４１は、ガス循環ライン内の圧力を測定し、センサ４２及び４３は、システムを制御する為に必要となる重要な温度を測定する。

加熱／冷却点検システムは、移動カート上に載せられるか、１人か２人の点検者によりドアを通して平坦な床に沿って持ち運ぶことにより、極低温目標物体の場所まで移動することができるモジュールから成る。この基準は、モジュールの最大重量４００ｋｇ及び７６ｃｍのドアを通るのに適したモジュールの最大幅により規定されている。車輪上のモジュールは冷凍機クライオスタット４及び９であり、好ましくは、ガス供給／通気アセンブリ３０、各圧縮機１、電線及び冷凍機ガスライン２及び３、及び制御装置を含む。大型になる傾向のある真空ジャケット移送ライン１６及び１７は持ち運ぶことができる。

点検システムは移動可能であり、ガスシリンダ３６と共に点検システムの構成要素を点検場所に移動した後、自己シール継手を有するガスライン２及び３が、電線と共に圧縮機及び膨張器に接続される。移送ライン１６及び１７は、それぞれ差込受け口４６及び４７に挿入され、遠端上にキャップが装着される。作動されると、制御システムは、真空ポンプ３５を作動し、弁３３を開いて圧力センサ４１により測定される圧力がプリセット圧力に達するまでガス循環ラインを排気する。その後、弁３３は閉じられ、ガスシリンダ３６からのガスを加える為に弁３４が開く。その後、弁３４は閉じられ、ガス循環ライン内に所望の寒剤のみが残るように、この工程が数回繰り返される。点検されるクライオスタット内の圧力は気圧にされ、その後、穴２５及び２６を有する点検システムがクライオスタット内に設置される。その後、キャップが供給移送ライン１６から取り外され、供給移送ライン１６が穴２５内に挿入される間、供給移送ラインの洗浄が維持される。その後、キャップが戻り移送ライン１７から取り外され、戻り移送ライン１７が穴２６内に挿入される間、戻り移送ラインの洗浄が維持される。

目標物体の加熱を開始する時には注意が必要である。なぜなら、容器２２内に液体寒剤が入っている場合、急激に加熱されると圧力の急激な上昇をもたらすからである。極低温クライオスタットは、高価な安全バーストディスクを有し、それにより、圧力の急上昇は避けられる。ガスを大気又は気圧に近いガス回収システムに通気する弁３２を開くことにより加熱が始まる。その後、循環ファン１８が作動され、圧力センサ４１における圧力が、圧力逃し弁３１を通してガスが排出されない圧力である約１００ｋＰａに達するまで速度がゆっくり上昇する。

ファン１８の速度は、ガス循環ライン内の管が冷却されて圧力が低下するにつれて、制御装置により上昇される。ファンが最高速度に達すると、圧力は約１００ｋＰａより低い圧力に達しており、制御装置はヒーター８又は１５を作動し、約１００ｋＰａの圧力が維持されるように電源入力を制御する。制御装置は、目標物体クライオスタット２０に向かうセンサ４２におけるガスの温度を測定し、目標物体２１がプリセット温度以上に加熱されないように入熱を減少させる。ヒーター８又は１５が止められると、温度センサ４２及び４３間の温度差がわずかになり、目標物体２１の温度ともなる。

移送ライン１６及び１７は、目標物体クライオスタット２０の点検中、好ましくは取り外される。なぜなら、冷却する為に、移送ライン１６は穴２６内に、移送ライン１７は穴２５内に、それぞれ別の穴内に挿入される。冷却を開始する前に、ガス循環ライン及び目標物体クライオスタット２０内のガス容器２２は排気される必要があり、清浄な寒剤が供給される。加熱前にガス循環ラインを排気してガスを供給した制御装置内の同じプログラムが、同じガス循環ライン及び容器２２を排気して寒剤を供給する為に使用される。

ガス循環回路内のガスが洗浄されると、弁３４が開き、回路内にガスが供給され、冷凍機が作動されてファン１８も作動する。制御装置は、膨張器５又は１１及びファン１８を最高速度で作動し、目標物体２１が冷却されるにつれて、冷却時間を最小化するように速度を減少させる。冷却時に、循環回路内の圧力は放出圧に近い圧力に維持され、それにより、循環ガスの質量流量を最大化する為に、ファンを通って流れるガスの密度は出来る限り高くなる。目標物体２１が最低温度に達した時に気圧まで圧力を下げるまでガスを放出しない為に、ガスの更なる冷却は気圧まで圧力を下げる温度において弁３４が閉じる。

図１に図示されるＧＭ冷凍機において組み立てられて試験された点検システムがここに記載される。点検システムは、４つのＣＨ１１０ＬＴ型膨張器と、出願人により製造された４つのＦ７０型圧縮機を有する。各膨張器は、３００Ｋ又は２７℃で約４００Ｗの容量を有し、無負荷で１２Ｋ又は−２６１℃の最低温度を有する。各圧縮機は、車輪を有する土台上に取り付けられる。４つの膨張器は、冷凍機クライオスタットのカバープレート１９上に取り付けられ、並列の２対の膨張器としてファン回路内に接続される。各コールドエンド６は、循環ヘリウムを冷却する為の熱交換器７を形成する流路を有する。４００Ｗのヒーター１５がコールドエンドのそれぞれに巻きつけられる。

また、ガス循環ファン（Cryozone Nodin 85mm cryofan）がカバープレート１９上に取り付けられる。このファンは、０から１８０００ｒｐｍの速度で動作することができ、最高速度において、０フローで３２５ｍのヘッド、そして、０ヘッドで７８ｍ^３／時間のフローを有する。このファンは、比較的低い圧力低下の循環回路を必要とし、それにより、室温で１８０００ｒｐｍのファン速度で１５０ｋＰａのゲージ圧力で約３ｇ/ｓのヘリウムを循環することができる。システムが冷却されてガスがより高密度になるにつれてファン速度は減少して流量が増加する。真空ポンプ３５はEdwards nXDS 15iであり、１０００Ｌの容量を１００ｋＰａから１０ｋＰａまで約５０分でポンプダウンすることができる。各圧縮機の重量は１５０ｋｇより軽く、幅は１００ｃｍより小さい。（ガスタンクを除く）供給／通気アセンブリをも有する冷凍機クライオスタットの重量は３７５ｋｇであり、幅は７６ｃｍである。真空ジャケット移送ラインの長さは５ｍである。

本発明の１つ以上の実施形態によると、点検システムを使用して方法を実施することができる。方法は、実質的に又は部分的に、実施された試験を含むことができる。試験は、まず超電導ＭＲＩ磁石を冷却して、その後加熱することにより実施された。点検システムは、磁石クライオスタット内の穴に挿入された差込部の為の２つの穴を有する。その後、上述の手順で実施された。ガスライン及び電線が接続され、その後、移送ラインが接続され、その後、ＭＲＩクライオスタットを含むガス循環ラインが排気されてガスが供給される。その後、冷凍機システムが作動され、ヘリウムが１００ｋＰａのゲージ圧力に維持され、３．２日で磁石が３０Ｋ又は−２４３℃より低い温度に冷却された。ＭＲＩクライオスタットには、ＲＤＫ４１５膨張器が取り付けられて磁石を低温に維持し、その後、膨張器が作動されて移送ラインが取り除かれる前に２２Ｋ又は−２５１℃の温度に達した。その後、約１００Ｌの液体ヘリウムが加えられ、磁石の温度は４．２Ｋ又は−２６９℃に達した。加熱試験が開始される前に、追加の液体ヘリウムが多少加えられた。ＭＲＩクライオスタットは、加熱／冷却点検システムの圧力逃し弁の設定圧力よりも高い圧力に設定されているバーストディスクを有する。

上述の手順によって加熱が達成された。まず移送ラインのキャップが外され、その後、移送ラインが排気されてガスが供給され、その後、移送ラインがＭＲＩクライオスタット上の差込口内に挿入される。この試験は、冷却容器に結合されたゲッター内にガスがいくらか吸着され、アウトガスにより断熱真空を破壊し、それにより、ターボ分子真空ポンプが真空排出口に接続されて作動するという推測に基づいて実施された。通気弁３２が開き、ファン１８が低速度で作動する。通気弁３２を通ってガスが放出されるにつれて循環回路が約１００ｋＰａの圧力に維持されるように、ファン速度はゆっくり増加された。ファン速度が１８０００ｒｐｍの速度に達して圧力が低下し始めると、ヒーター８への出力がゆっくりと増加し、ＭＲＩクライオスタット内の温度が測定され、大きな熱勾配を避けるように速度が制御された。循環回路内の質量流量を増加する為に、通気弁３２が閉じてガスが増加した圧力で圧力逃し弁３１を通して放出されるようになった。加熱時の最大電源入力は１５００Ｗであった。ＭＲＩ磁石は１．２日で２３０Ｋ又は−４３℃まで加熱され、この時点でファンに入る温度Ｔｒ４３は２９０Ｋ又は１７℃に達し、今後２．４日にわたって温度Ｔｒ４３を２９０Ｋ又は１７℃に維持するようにヒーターの出力をゆっくりと減少させ、ＭＲＩ磁石が２８０Ｋ又は７℃まで加熱された。この実験に使用された加熱／冷却点検システムは、３１０Ｋ又は３７℃の最大戻り温度Ｔｒ４３を有するように設定されることができる。

試験は、１００Ｋ又は−１７３℃より低い温度で操作される幅広い極低温目標物体を加熱及び冷却することに使用することができるこの点検システムの多才性を示している。複数の冷凍機を有する点検システムは、全ての圧縮機を点検場所に移動することなく使用することもできる。加熱率は、ファン速度及びヒーター出力を調整することにより制御することができる。目標物体クライオスタットの熱損失によって、冷却後の最低温度は２０Ｋ又は−２５３℃まで低くすることができる。

１圧縮機
２ガスライン
３ガスライン
４ＧＭ冷凍機クライオスタット
５ＧＭ膨張器
６コールドエンド
７熱交換器
８ヒーター
９ブレイトン冷凍機クライオスタット
１０熱交換器
１１ブレイトン膨張器
１２吸入弁
１３排出弁
１４熱交換器
１５ヒーター
１６真空ジャケット移送ライン
１７真空ジャケット移送ライン
１８ファン、循環ファン
１９カバープレート
２０目標物体クライオスタット
２１目標物体
２２容器
２３低温シールド
２４寒剤
２５穴
２６穴
２７ガスライン、供給ライン
２８ガスライン、戻りライン
２９ライン
３０ガス供給／通気アセンブリ
３１圧力逃し弁
３２弁、通気弁
３３弁
３４弁
３５真空ポンプ
３６ガスシリンダ
３７調整器
３８通気ライン
３９ガスライン
４０真空
４１圧力センサ
４２温度センサ
４３温度センサ
４５真空
４６差込受け口
４７差込受け口
１００システム
２００システム

Claims

目標物体クライオスタット内に配置された目標物体を点検する為の点検システムであって、前記点検システムは、
前記目標物体を極低温度まで冷却する為の１つ以上の膨張器及び１つ以上の圧縮機と、
前記目標物体を極低温度から加熱する為の１つ以上のヒーターと、
ファン回路と、前記ファン回路を通してガスを循環させるファンと、
前記１つ以上の膨張器及び前記ファンを真空内に収容する冷凍機クライオスタットと、
前記目標物体の加熱時にヒーターからの熱を前記ファン回路内のガスへ移動し、前記目標物体の冷却時に前記目標物体からの熱を前記ファン回路内のガスへ移動する為の複数の熱交換器と、
前記ファン回路内の圧力及び温度を測定する為の複数のセンサと、前記複数のセンサに応じて少なくとも前記ファンの速度、前記膨張器の速度、及び前記ヒーターの出力を制御する制御装置と、
前記ファン回路から前記目標物体クライオスタットへガスを移送する為の取り外し可能な供給移送ラインと、
前記目標物体から前記ファン回路へガスを戻す為の取り外し可能な戻り移送ラインと、
前記ファン回路内の過剰圧力を逃がす為の圧力逃し弁と、
大気及びガス回収システムのいずれか１つに開くように作動することができる通気弁と、
を有し、
前記供給移送ラインと前記戻り移送ラインは前記目標物体クライオスタットに接続場所を相互交換して接続することができることを特徴とする点検システム。
さらに、前記点検システムを移動する為のカートを有し、前記カート及び前記点検システムは、幅７８ｃｍ及び高さ１６０ｃｍの戸口を通過することができることを特徴とする請求項１に記載の点検システム。
前記膨張器のそれぞれは、ＧＭ膨張器であり、前記熱交換器のそれぞれは、前記膨張器のそれぞれのコールドエンドと一体の部品であることを特徴とする請求項１に記載の点検システム。
前記膨張器のそれぞれは、ブレイトン膨張器であり、前記熱交換器のそれぞれは、前記膨張器のそれぞれのコールドエンドと分離していることを特徴とする請求項１に記載の点検システム。
ガスを冷却する為の前記熱交換器は、ガスを加熱する為の前記熱交換器とは別のものであることを特徴とする請求項１に記載の点検システム。
前記圧力逃し弁が、気圧より高く２００ｋＰａより低い前記ファン回路内の過剰圧力を逃がすように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の点検システム。
点検システムを使用して目標物体クライオスタット内に配置された目標物体を点検する方法であって、前記目標物体クライオスタットは、冷却時に低温ガスを受け入れる供給口と戻り口を有し、前記点検システムは、
前記目標物体を極低温度まで冷却する為の１つ以上の膨張器及び１つ以上の圧縮機と、
前記目標物体を極低温度から加熱する為の１つ以上のヒーターと、
ファン回路と、前記ファン回路を通してガスを循環させるファンと、
前記１つ以上の膨張器及び前記ファンを真空内に収容する冷凍機クライオスタットと、
前記目標物体の加熱時にヒーターからの熱を前記ファン回路内のガスへ移動し、前記目標物体の冷却時に前記目標物体からの熱を前記ファン回路内のガスへ移動する為の複数の熱交換器と、
前記ファン回路内の圧力及び温度を測定する為の複数のセンサと、前記複数のセンサに応じて少なくとも前記ファンの速度、前記膨張器の速度、及び前記ヒーターの出力を制御する制御装置と、
前記ファン回路から前記目標物体クライオスタットへガスを移送する為の取り外し可能な供給移送ラインと、
前記目標物体から前記ファン回路へガスを戻す為の取り外し可能な戻り移送ラインと、
前記ファン回路内の過剰圧力を逃がす為の圧力逃し弁と、
大気及びガス回収システムのいずれか１つに開くように作動することができる通気弁と、
を有し、
前記供給移送ラインと前記戻り移送ラインは前記目標物体クライオスタットに接続場所を相互交換して接続することができ、
前記点検する方法が、
（ａ）前記冷凍機クライオスタット内に前記供給移送ラインと前記戻り移送ラインの近接端を挿入するステップ、
（ｂ）前記供給移送ラインと前記戻り移送ラインの遠端にキャップを装着するステップ、
（ｃ）前記冷凍機クライオスタット内の前記ファン回路及び前記供給移送ラインと前記戻り移送ラインを排気した後、前記目標物体クライオスタット内に配置された寒剤を充填するステップ、
（ｄ）前記戻り移送ラインを前記目標物体クライオスタット内の供給口に接続する間、ステップ（ｃ）と同じ寒剤による洗浄を維持するステップ、
（ｅ）前記供給移送ラインを前記目標物体クライオスタット内の戻り口に接続する間、ステップ（ｃ）と同じ寒剤による洗浄を維持するステップ、
（ｆ）前記通気弁を開くステップ、
（ｇ）ファン速度を増加した後、ガスが前記圧力逃し弁を通って放出されないように制御するステップ、
（ｈ）ファン速度及びヒーター出力を制御して前記目標物体を加熱するステップ、
（ｉ）前記供給移送ラインと前記戻り移送ラインを前記目標物体から取り外すステップ、
を有することを特徴とする方法。
前記点検する方法がさらに、
前記目標物体クライオスタットを点検するステップ、
前記供給移送ラインを前記目標物体クライオスタット内の供給口に接続するステップ、
前記戻り移送ラインを前記目標物体クライオスタット内の戻り口に接続するステップ、
前記目標物体クライオスタット及び前記冷凍機クライオスタット内のファン回路を排気した後、前記目標物体クライオスタット内に使用されたガスと同じガスを充填するステップ、
前記膨張器及び前記圧縮機を作動し、前記目標物体クライオスタットを冷却する為に使用したガスと同じガスを供給している間、ファン速度及び膨張器速度を制御するステップ、
を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。