JP6887538B2 - 極低温冷却用の装置 - Google Patents

Description

本発明は、特にＭＲＩシステム用の超伝導磁石に関連する、高感度機器の極低温冷却に関する。

当業者にはよく知られているように、超伝導磁石は超伝導線のコイルを含み、超伝導線のコイルは、超伝導線の材料に超伝導特性を維持するのに適した極低温に冷却する必要がある。これは一般的に、その沸点にある液体冷却材に超伝導線のコイルを少なくとも部分的に浸漬することにより達成される。

別の超伝導材料が公知であり、冷却材は、適切な材料の超伝導転移温度よりも低い沸点を有するように選択されなければならない。液体ヘリウムがしばしば使用される。液体ヘリウムは、約４Ｋである、最も低い沸点を有しているが、ますます希少で高価なものとなっている。

ヘリウムの消費を減じるために、パイプ冷却される磁石システムが入手可能になっている。図１には、パイプ冷却される磁石の原理が概略的に示されている。パイプ冷却装置は、サーモサイフォンと称されてもよい。

本発明は特に、円筒状の超伝導磁石を参照しながら説明され、この超伝導磁石は、水平軸線Ａに沿って整列している複数の超伝導コイル１０を有している。このような磁石は、その構造が本当の意味でソレノイドでないとしても、「ソレノイド」磁石とも呼ばれる。しかしながら、本発明は、このような磁石に限定されるものではなく、当業者に公知であるような別の形式の超伝導磁石にまで拡張されるものである。

図１では、磁石構造１０が、従来の形式で、即ち例えば、機械的支持構造上への熱硬化性樹脂の含浸により位置保持された、軸方向で整列した超伝導線のコイルを有している。冷凍機１２は、極低温再凝縮冷凍機である。冷凍機は、冷却材タンク１４の内部にさらされた熱交換器１３を冷却するように作用する。少なくとも１つの冷却パイプ１６が磁石構造１０を取り囲んでいて、各コイルと熱接触している。冷却パイプ１６の入口端部は、冷却材タンク１４の下端部近くで冷却材タンク１４に接続され、冷却パイプの出口端部は、冷却材タンク１４の上端部近くで冷却材タンク１４に接続されている。

図１に示す装置は、真空排気された外部真空容器（ＯＶＣ）（図示せず）内に収容されている。熱放射シールドは通常、コイル１０、パイプ１６、冷却材タンク１４を取り囲むように、ＯＶＣの内側に配置される。

運転中、液体冷却材１５は、その沸点で冷却材タンク１４に導入される。極低温冷凍機１２は、沸騰した冷却材蒸気を冷却して液体に戻し、冷却材容器内の安定した温度を維持する。コイル１０で生じた熱、又はコイルを冷却するためにコイルから除去された熱は、冷却パイプ１６内の冷却材を沸騰させる。沸騰した冷却材蒸気は、冷却パイプ１６内で上昇し、出口端部から出て行き冷却材タンク内へ入る。冷却材蒸気は、冷凍機１２により再凝縮され液体冷却材１５となる。これにより冷却材は、冷却パイプ１６の入口端部内に入り、冷却パイプの出口端部から出て冷却材容器１４に戻るという循環をする。このようにして、冷凍機１２の冷却効果は、コイル１０の全周にわたって分配される。

比較的少量の冷却材１５を含んだ比較的小さな冷却材タンク１４が、磁石コイル１０の冷却には十分であることがわかった。しかしながら、このような装置はいくつかの欠点を有している。

図１の概略図には示されていないが、超伝導ジョイント、超伝導スイッチ、電気的接続部、診断センサのような様々な電気的構成部品は、システム動作の様々な段階で発生するエネルギを熱として散逸させ、冷凍機１２によって冷却されなければならない。図１に示したような装置では、これらの構成部品は不十分にしか冷却されない場合がある。いくつかの装置では、これらの構成部品は、冷却材タンク１４又は冷却パイプ１６の外部に機械的及び熱的に取り付けられたり、又はコイル１０の表面に取り付けられたりすることがある。図１のパイプ冷却装置は、効果的な運転を可能にするために真空内に保持されなければならない。しかしながら、機械的な接触による構成部品の冷却は、小さな接触の隙間をつなぐ冷却材がないので、冷却液又は冷却ガスとの接触による冷却と比べて真空中では非効率であることがわかった。

超伝導磁石コイル１０は高い熱伝導性を有している。したがって、超伝導磁石コイル１０は、小さい割合の表面積の冷却によってでさえも、この実施例では、低温冷却材を収容し各コイルの表面の少なくとも所定の領域に熱接触しているパイプ１６による冷却によってでも、冷却及び低温の維持が容易である。

磁石に通電する場合、コイルは、関連する線材の超伝導転移温度以下に冷却されなければならない。協働する超伝導スイッチは、磁石の通電を可能にするように開かれなければならない。このようなスイッチの開放は、関連する線材の超伝導転移温度以上へのスイッチの加熱を引き起こす。コイル１０が十分に冷却されていなければ、このようなスイッチの加熱は、磁石コイル１０にまで到達し、超伝導状態への到達を妨げる可能性がある。磁石に通電する場合、磁石を持続的なものにできるように、その超伝導特性を回復するために、スイッチを急速に冷却しなければならない。

図１に示したようなパイプ冷却される磁石におけるこのような構成部品の効果的な冷却を確実にするための１つの考えられる装置は、構成部品を冷却する液体冷却材１５と接触する、冷却材タンク１４内側に構成部品を設けることである。これにより効果的な冷却は確実になるが、この装置はいくつかの欠点を有している。例えば、このような構成部品を冷却材タンク１４内に配置することにより、磁石コイル１０を冷却するために利用可能な液体冷却材の利用可能な体積が低減する。

何らかの理由で、過剰な冷却材の沸騰が生じた場合、液体冷却材１５の液面レベルは、構成部品のレベル以下に下がる恐れがある。これにより構成要素は、その超伝導転移温度以上に加熱される恐れがあり、これはひいては磁石をクエンチさせる恐れがある。

クエンチの間、冷却材タンク１４内の液体冷却材１５は、沸騰するか又は冷却材タンク１４の外へ放出される。これにより構成部品は、その超伝導転移温度以上に加熱される恐れがある。

超伝導スイッチを「開」にする必要がある場合、熱を加えなければならない。このスイッチが、及びそのために熱も、冷却材タンク１４内に含まれる場合、より多くの液体冷却材１５が蒸発する。これにより、冷却パイプ１６を通る冷却材の流れが中断される恐れがある。

本発明は、例えばコイル１０が、金属組紐、ラミネート、又は熱バスバーのような熱的接続部による熱伝導により冷却される、別の形式の磁石にも適用することができる。このような装置では、液体冷却材１５は循環されないが、冷却材タンク１４の一定の温度を維持するように機能する。

従って本発明は、上記課題を解決するために、上記欠点の影響を回避又は低減するような、パイプ冷却されるか又は接触冷却される超伝導磁石システム内の構成部品を効果的に冷却する装置を提供する。
米国特許出願公開第２００６／２４２９６８号明細書には、超伝導磁石用の冷却装置が記載されている。

従って本発明は、添付の請求項に規定された極低温冷却用の装置を提供する。

本発明の上記及びさらなる課題と特徴及び利点は、添付の図面に関連する本発明のいくつかの実施の形態の以下の説明から、より明らかになる。

従来のパイプ冷却される超伝導磁石を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるパイプ冷却される超伝導磁石を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるパイプ冷却される超伝導磁石を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるパイプ冷却される超伝導磁石を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるパイプ冷却される超伝導磁石を概略的に示す図である。 本発明の所定の実施形態の特徴を示す図である。 本発明の実施形態による伝導冷却される超伝導磁石を示す図である。 本発明の所定の実施形態で使用される狭窄部を有する冷却材容器を概略的に示す図である。 本発明の所定の実施形態で使用される狭窄部を有する冷却材容器を概略的に示す図である。

従来の装置で認識されているように、部材を安定した極低温に冷却するための最も効果的な方法は、その沸点にある冷却材流体に部材を浸すことである。冷却材は、飽和温度及び圧力で密閉容器内に保持される。部材において熱が発生すると、その熱に最も近くにある冷却材が気化することによりその熱を吸収する。気体の冷却材は、それを取り囲む液体よりもはるかに密度が低いので、別の液体冷却材によって押しのけられ、従って熱が除去される。

冷却材タンク１４内に冷却される構成要素を配置することについて上述した困難な点は、同じ冷却材タンク内の冷却材を、電気的構成部品を冷却するために使用し、かつ磁石コイル１０の冷却のために提供しなければならないことに起因する。クエンチ中は、冷却材タンク１４から冷却材が放出される。

本発明の実施形態では、所定の量の液体冷却材内に構成部品を収容するために、別の冷却材タンクが設けられている。このような量の液体冷却材と別の冷却材タンクとは、狭窄部により冷却材タンク１４に連通している。冷却材タンク１４と液体冷却材１５とは、上述した通り磁石コイル１０を冷却するために使用される。このような装置により、液体冷却材との直接接触による構成部品の卓越した冷却が可能となるうえ、磁石コイルの冷却と構成部品の冷却の両方のために単一の冷却材体積を使用することに伴う一切の困難な点が回避される。

本発明による装置は、冷却材タンク１４の液体冷却材容量の低減を必要としない。

冷却材タンク１４内の液体冷却材１５の液面レベルが低い場合であっても、構成部品が完全に液体冷却材によりカバーされること保証するために、別の冷却材タンクは、好適には冷却材タンク１４の下方に配置される。

図２は、本発明の第１の実施形態が概略的に示されている。図１と共通の特徴には同じ参照符号を付与している。この実施形態では、冷却パイプ１６は、上流部分１６ａと下流部分１６ｂとに分割されている。別の冷却材タンク２０は構成部品２１を収容している。構成部品２１と磁石コイル１０との間に電気的接続部２２が形成されている。別の冷却材タンク２０の壁を貫通して構成部品２１への電気経路が延在することができるように電気的フィードスルー２３が設けられている。別の冷却材タンク２０は、冷却ループ装置の部分を形成している。冷却ループ装置では、冷却材の循環経路は、冷却材容器１４から流れ、パイプ１６の入口端部を通り、別の冷却材タンク２０を通過して、パイプ１６の出口端部を通って冷却材タンク１４に戻る。冷却パイプの下流部分１６ｂは、別の冷却材タンク２０の上端部近くで別の冷却材タンク２０に取り付けられていて、冷却材タンク１４の上端部近くで冷却材タンク１４に取り付けられている。冷却パイプ１６の上流部分１６ａは、冷却材タンク１４と、下流部分１６ｂの各接続部の下方の位置で別の冷却材タンク２０とに接続されている。別の冷却材タンク２０は、冷却材タンク１４の下方に位置しており、好適には、冷却パイプ１６ａ／１６ｂの下端部に位置していてよい。従って、別の冷却材タンク２０は、冷却パイプ１６によって画定される狭窄部により冷却材タンク１４に連通している。

作動中、別の冷却材タンク２０には優先的に液体冷却材が充填される。重力の影響下では、まず、別の冷却材タンク２０に液体冷却材１５が充填され、別の冷却材タンク２０が満タンになったときだけ、冷却パイプ１６と冷却材タンク１４とに液体冷却材が充填される。冷却ループ自体は、図１に基づき説明した通りに作動する。即ち、コイル１０からの熱は、冷却材を沸騰させて蒸気にし、この蒸気はパイプ１６ａ／１６ｂを通って循環して、下流部分１６ｂから冷却材タンク１４に入り、冷凍機１２によって再凝縮されて液体冷却材１５に戻され、パイプの上流部分１６ａを通って再循環する。超伝導スイッチを開放するために提供される熱のような、構成部品２１によって発生する全ての熱は、液体冷却材を沸騰させ、その結果生じた冷却材蒸気は、上昇して、下流部分１６ｂを通って循環して冷却材タンク１４へと戻る。

本発明のいくつかの実施形態では、複数の別の冷却材容器２０が設けられてよい。別の冷却材容器２０はそれぞれ、冷却すべき構成部品２１の部分セットを収容しており、それぞれ狭窄部を介して冷却材タンク１４に連通している。同様の複数のパイプ１６，１６ａ／１６ｂが設けられてよく、又はそのうち１つ以上が別の冷却材タンク２０に接続されてよい。

図３には、本発明の別の実施形態が概略的に示されている。この装置では、別の冷却材タンク２０は、冷却材タンク１４の下方に位置しているが、冷却パイプ１６の最も下方の端部に位置しているのではない。比較的短い接続パイプ２４が、冷却材タンク１４と別の冷却材タンク２０との間にほぼ垂直に延在しており、冷却材タンク１４と別の冷却材タンク２０との間の連通を確実にする狭窄部を画定している。この実施形態のその他の特徴は、図２に基づき説明した通りである。

このような実施形態では、パイプ１６の下方部分が最初に、付加的な液体冷却材１５により充填され、次いで別の冷却材タンク２０が充填されてから、接続パイプ２４と冷却材タンク１４とが充填される。別の冷却材タンク２０内で生じた熱は、冷却材を沸騰させることがあり、結果として生じる冷却材蒸気は、狭窄部を通って上方に向かって冷却材タンク１４へと上昇し、冷却材タンク１４でこの蒸気は冷凍機１２により再凝縮される。

図４には、本発明の別の実施形態が示されている。この場合、別の冷却材タンク２０にはパイプ１６内のＴ字管２７から供給される。別の冷却材容器２０は、冷却パイプ１６とＴ字管２７によって画定される狭窄部により冷却材容器１４に連通している。別の冷却材タンク２０が優先的に液体冷却材によって充填され、パイプ１６内の冷却材循環は、必ずしも別の冷却材タンク２０を通らない。好適には、別の冷却材タンク２０は、別の冷却材タンク２０内で生じた冷却材蒸気が、狭窄部を通って冷却材タンク１４に向かってパイプ１６内の冷却材循環の法線方向で上昇するように配置されている。

別の配置も可能であろうが、別の冷却材タンク２０は、流体連通している冷却材タンク１４の下方に位置するのが好適である。冷却材タンク１４と別の冷却材タンク２０との間の狭窄部を介した流体連通は、冷却ループ（熱サイフォン）経路の部分を成す必要はない。

図５に示す実施形態では、別の冷却材タンク２０は、別の冷却材タンク２０と冷却材タンク１４との流体連通を提供する狭窄部を画定している接続パイプ２４により、パイプ１６の冷却ループ経路とは別に冷却材タンク１４に接続されている。その他の実施形態と同様に、別の冷却材タンク２０には優先的に冷却材タンク１４よりも先に充填される。パイプ１６又は別の冷却材タンク２０が、他のものより先に充填されることを保証するために、必要な場合にはバッフル２８が設けられてよい。これは、バッフルに対する極低温冷凍機の熱交換器の相対的な位置を選択することにより簡単に配置することができる。

図６に示すように、さらに別の実施形態では、極低温冷凍機１２は、冷却材タンク１４及び別の冷却材タンク２０の両方に流体連通した再凝縮チャンバ３０へと液体冷却材を提供することができる。再凝縮チャンバは、冷却材タンク１４と別の冷却材タンク２０との間で液体冷却材を分ける。再凝縮チャンバのジオメトリは、冷却材タンク１４及び別の冷却材タンク２０のどちらを優先的に充填するかを決定するために調節することができる。この場合、狭窄部は、別の冷却材タンク２０と冷却材タンク１４を再凝縮チャンバ３０へと接続するパイプによって提供される。

図７には、本発明の別の一連の実施形態が概略的に示されている。図７では、冷却ループ（熱サイフォン）が設けられていない。コイルを冷却するための回路に冷却材を搬送するパイプ１６の代わりに、冷却材タンク１４とコイル１０に熱接触している固体の熱伝導体２６が設けられている。固体の熱伝導体２６は、任意の従来の形式のものであってよく、例えば、ラミネート、組紐、高純度のアルミニウムから成る熱的バスバー、アルミニウム又は銅を含む複合材料のような他の適切な材料の銅であってよい。使用時、熱はコイル１０から、固体の熱伝導体２６を介して冷却材タンク１４へと伝達される。熱は、冷却材タンク１４内の液体冷却材１５を沸騰させ、冷却材蒸気は極低温冷凍機１２によって再凝縮される。図示した実施形態では、別の冷却材タンク２０は、冷却材タンク１４の下方に位置しており、狭窄部を画定する接続パイプ２４により、別の冷却材タンク２０が優先的に液体冷却材によって充填されるように接続されている。図７のその他の特徴は、前述の図面に基づき説明した通りである。いくつかの実施形態では、冷却ループが、固体の熱伝導体に対して付加的に設けられてよい。

冷却材タンク１４と別の冷却材タンク２０との間で液体冷却材を分配するために再凝縮チャンバが設けられている図６に示した実施形態は、図７の装置に適用されてよい。

図８及び図９には、本発明のさらなる実施形態の特徴が示されている。これらの実施形態では、冷却材タンク１４と別の冷却材タンク２０とは、単一の容器を分割することにより設けられており、狭窄部３２によって接続されている。図８の装置では、狭窄部は、単一の容器３４の成形により提供される。図９の装置では、狭窄部は、バッフル装置により提供される。

添付の請求項により規定された本発明の範囲内で、多数の別の実施形態が当業者には明らかであろう。超伝導コイル１０の冷却に関して説明したが、本発明は、他の形式の冷却される部材の極低温冷却に適用することができる。別の冷却材タンク内に収容される構成部品２１は、特定の形式の電気的な構成部品として説明したが、別の形式の電気的な構成部品、及び全く別の形式の構成部品を、本発明の別の冷却材タンク内に配置することにより冷却することもできる。

１０ 超伝導コイル
１２ 冷凍機
１３ 熱交換器
１４ 冷却材タンク
１５ 液体冷却材
１６ 冷却パイプ
１６ａ 上流部分
１６ｂ 下流部分
２０ 別の冷却材タンク
２１ 構成部品
２２ 電気的接続部
２３ 電気的フィードスルー
２４ 接続パイプ
２６ 固体の熱伝導体
２７ Ｔ字管
２８ バッフル
３０ 再凝縮チャンバ
３２ 狭窄部
３４ バッフル

Claims (6)

1. 冷却される部材（１０）と、
   冷却材タンク（１４）と、
   前記冷却材タンク（１４）の内部にさらされた熱交換器（１３）と、
   前記熱交換器（１３）と熱接触している極低温再凝縮冷凍機（１２）と、
   前記冷却される部材（１０）から前記冷却材タンクへと熱を伝達する熱伝達装置（２６）と、
   を備える装置であって、
   当該装置は、前記冷却材タンクに狭窄部（２４）を介して接続されている別の冷却材タンク（２０）を有しており、該別の冷却材タンクは、前記熱交換器で再凝縮された冷却液を受け取るために流体連通されており、前記別の冷却材タンク（２０）は構成部品（２１）を収容しており、前記構成部品は、前記別の冷却材タンクに受け取られた冷却液によって冷却され、
   前記熱伝達装置（２６）は、前記冷却材タンク（１４）の外面と前記冷却される部材（１０）とに熱接触している固体の熱伝導体（２６）を有している、
   装置。
2. 前記別の冷却材タンクは、前記冷却材タンク（１４）よりも優先的に冷却液を受け取るように流体連通されている、請求項１記載の装置。
3. 冷却される部材（１０）と組み合わされる極低温冷却装置であって、
   冷却材タンク（１４）の内部にさらされた熱交換器（１３）と、
   前記冷却材タンク（１４）に流体連通された再凝縮チャンバ（３０）と、
   前記熱交換器（１３）と熱接触している極低温再凝縮冷凍機（１２）と、
   前記冷却される部材（１０）から前記冷却材タンクへと熱を伝達する装置（２６）と、を備える極低温冷却装置において、
   当該極低温冷却装置は、前記熱交換器で再凝縮された冷却液を受け取るために、前記再凝縮チャンバ（３０）に流体連通された別の冷却材タンク（２０）を有しており、該別の冷却材タンク（２０）は構成部品（２１）を収容しており、前記構成部品は、前記別の冷却材タンクに受け取られた冷却液によって冷却され、
   前記熱伝達装置（２６）は、前記冷却材タンク（１４）の外面と前記冷却される部材（１０）とに熱接触している固体の熱伝導体（２６）を有している、
   極低温冷却装置。
4. 前記再凝縮チャンバ（３０）のジオメトリは、前記冷却材タンク（１４）及び前記別の冷却材タンク（２０）のどちらを先に充填するかを決定するために調節される、請求項３記載の装置。
5. 前記冷却される部材と、前記冷却材タンクと、前記熱を伝達する装置（２６）とは、外部真空容器（ＯＶＣ）内に収容されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記冷却される部材（１０）は超伝導磁石コイルを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。

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