JPH0340475A - 超伝導磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は超伝導磁石の初期冷却動作の間に使用される低
温予冷器に関するものである。予冷器は超伝導磁石の一
部である。

現在使用されている超伝導磁石は非常に低い温度で動作
する。これらの磁石を起動するためには、磁石から顕熱
を取り去って磁石を室温から低温に冷却しなければなら
ない。全身用磁気共鳴イメージングのために使用される
磁石では質量が大きいため、取り去るべきエネルギーの
量はかなり大きい。通常、定常状態の動作に適した大き
さになっている低温冷却器を使って磁石をゆっくりと冷
却すると何日もかかることがあり得る。しかし、磁石を
急冷すると熱応力が生じ、磁石が構造的に破損すること
が起り得る。

本発明の１つの目的は過大な熱応力を避けるように制御
された速度で超伝導磁石を急速に冷却し得る予冷器を提
供することである。

現在、磁石シールドのまわりにゆるく巻かれた管に低温
液を通してシールドを冷却することにより、低温冷却器
をそなえた磁石の予冷が行なわれる。

発明の要約 本発明の一面によれば、２段低温冷却器で冷却し得る超
伝導磁石が堤供される。超伝導磁石は低温槽を含み、低
温槽は磁石巻線および該磁石巻線を間隔を置いて取り囲
む熱放射シールドを含む。

低温槽には開口が形成され、この開口に低温冷却器のコ
ールドヘッド（ｃｏｌｄ　ｈｅａｄ　）インタフェース
・レセプタクルが配置される。このインタフェース・レ
セプタクルは熱が流れる関係にそれぞれ低温冷却器の第
１および第２の熱ステーションと接続するための第１お
よび第２の熱ステーションをそなえている。予冷器がそ
れぞれ上記インタフェースの第１および第２の熱ステー
ションと熱流関係に接続された第１段および第２段の熱
交換器をそなえている。インタフェースは冷却剤を供給
し除去するための入口ポートおよび出口ポートをそなえ
ている。熱絶縁材料で作られたパイプ手段によって、第
１および第２の熱交換器が入口ポートと出口ポートとの
間に直列流関係に接続される。

発明と考えられる主題は特許請求の範囲に記載されてい
る。しかし、本発明の構成および実施方法、ならびに本
発明の上記以外の目的および利点は付図を参照した以下
の説明により明らかとなる。

発明の詳細な説明 １９８８年７月５日出願の米国特許出願第２１５．１１
４号に記載されている低温冷却器コールドヘッド・イン
タフェース・レセプタクルが第１図に予冷器を含むよう
に変形された超伝導磁石の一部として示されている。

２段低温冷却器１１を低温槽１５の開口１３にとりはず
し可能に接続するため低温冷却器インタフェース９が設
けられている。そのまわりに超伝導巻線２１が巻かれる
円筒形の巻線枠１７が低温槽内に収容されている。巻線
枠は銅のケーシング２３内に収容されて、懸垂装置（図
示しない）により低温槽１５内に支持されている。熱放
射シールド２５が磁石巻線を有するコイル枠を取り囲ん
でいるが、コイル枠および低温槽の壁から間隔を置いて
配置されている。

低温冷却器１１は巻線２１およびシールド２５を冷却す
るために使用される。低温冷却器１１は２段構成になっ
ており、２つの異なる温度を生じる。この２つの温度は
低温槽の第１段の熱ステージジン２７および第２段の熱
ステーシヨン２９で利用される。第２の熱ステーシヨン
２９で得られる温度は第１の熱ステーシヨン２７で得ら
れる温度より冷たい。

低温冷却器インタフェースは、このインタフェースの第
２段熱ステーシヨンとしての役目を果す閉止端３１ａを
そなえた第１のスリーブ３１を含む。インタフェースの
第１段熱ステーション３３がスリーブ３１の内側に配置
されている。第１段の熱ステーションと第２段の熱ステ
ーシヨン３１ｂとの間に伸びているスリーブの部分はス
テンレス鋼のベローにより軸方向に柔軟で熱的に絶縁さ
れている。

第２のスリーブ３５が第１のスリーブ３１を取り囲んで
いる。第２のスリーブの一方の開放端が低温槽の開口１
３の周囲を気密に取り囲んでいる。

第２のスリーブの壁は軸方向に柔軟で熱絶縁性である。

第２のスリーブはステンレス鋼で作ることができ、柔軟
なベロ一部を含めることができる。

中心開口３９をそなえた第１のフランジ３７が第１のス
リーブ３１および第２のスリーブ３５１；気密に固定さ
れ、第１のスリーブと第２のスリーブとの間に形成され
た環状空間を封止する。第１段の熱ステーシヨン３３か
ら第１のフランジ３７へ伸びる第１のスリーブの部分３
１ｃは壁の薄いステンレス鋼の管のような熱絶縁材料で
作られる。

第１のフランジの中心開口３９は第１のスリーブの開放
端と整列する。第１のスリーブ３１、第２のスリーブ３
５およびフランジ３７は低温槽の開口３９を気密封止す
る。第２のフランジ４１が中心開口４３をそなえており
、第１のフランジ３７の中心開口３９内に調節自在に気
密に取り付けられる。第２のフランジ４１は低温冷却器
１１のフランジ４５に固定される。低温冷却器の冷端を
第１のスリーブの中に配置し、低温槽と第１のスリーブ
を真空にした状態で、第１のスリーブは低温冷却器の第
２段２９と内側の第１のスリーブ３１の底面との間に圧
力を加える。ボルト４７を締めることによって第１のフ
ランジ３７を第２のフランジ４１に向って動かすと、内
側の第１のスリーブの軸方向に柔軟な部分が長くなり、
第１段のインタフェース熱ステーシヨン３３と低温槽の
熱ステーシヨン２７との間の力が大きくなる。低温槽を
真空状態とし、低温冷却器１１をそのレセプタクルから
除去したとき、分割型カラー５１がフランジ３７および
４７の低温槽１５へ向う動きを制限する。

第１のスリーブ３１の閉止端は第２段の熱交換器５３を
介して巻線枠１７の銅の表面２３に対して支持される。

第２段の熱交換器は予冷器の一部である。予冷器は、第
２段の熱交換器の他に第１段の熱交換器５５およびパイ
プ５７．５９．６１ならびに第１のフランジ３７の中に
ある入口ポート６３および出口ポート６５を含む。第２
段の熱交換器５３には銅のような高熱伝導率の材料で作
られた円筒形のコア６７が含まれている。コアの外側表
面にはらせん形の溝７１が形成されている。

コア６７のまわりに銅のスリーブ７３が焼きばめされ、
これによりコアの軸方向の一端で始まり他方の端で終る
らせん形の流路が形成される。

インタフェースの第１段の熱ステージジン３３は第１段
の熱交換器５５の一部として形成される。

第１段の熱交換器５５には熱伝導率の良好な材料で作ら
れた円筒形のシェルフ５が含まれている。

円筒形のシェルは直径の大きな部分７５ａ１直径の小さ
な部分７５ｂ１および両者の間を遷移する半径方向内側
に伸びる棚部３３をそなえている。

シェルは内側スリーブ３１の一部を形成し、シェルは軸
方向にスリーブ壁と揃っている。直径の小さな部分７５
ｂはスリーブの閉止端に向って配置される。棚部３３は
インタフェースの第１段の熱ステーションとしての役目
を果す。直径の大きなシェル部分７５ａの外側表面には
らせん形の溝７７が形成されている。満７７を囲むよう
に銅のスリーブ８１が直径の大きなシェル部分７５ａの
まわりに焼きばめされ、これによりらせん形の流路が形
成される。直径の小さな部分７５ｂは複数の銅の編組ス
トラップ８３を介して銅のような放射率の低い材料で作
られたカラー８５に取り付けられる。カラー８５はシー
ルドからインタフェースの第１の熱ステーシヨン３３に
良好な熱の流れが得られるようにシールド２５に固定さ
れる。

図示するように、２段低温冷却器１１はインタフェース
の第１のスリーブ３１の中に入っている。

低温槽の第１段の熱ステーシヨン２７はイ゛ンジウムの
ガスケットのような柔軟な伝熱性部材（図示しない）を
介してインタフェースの第１段の熱ステーシヨン３３と
接触する。低温冷却器の第２段２９は柔軟な伝熱性ガス
ケット（図示しない）を介してコア６７、と接触する。

フランジ３７には入口ポート６３および出口ポート６５
が設けられており、これによりステンレス鋼のような低
熱伝導率の材料で作られたパイプをインタフェースの内
側に配置して熱交換器５３および５５に低温液を循環さ
せることができる。

パイプ５７は入口部分から、らせん形の流路の一端に流
通しているシェルフ５ａの開口へ伸びている。パイプ５
９はらせん形の流路の他端と流通しているシェルフ５ａ
の開口から、らせん形の流路の一端と流通しているｍ２
段の熱交換器５３の開口へ伸びている。らせん形の流路
の他端と流通している開口から伸びるパイプロ１は出口
ポート６５に接続されている。

銅部品と銅部品との接合は電子ビームまたは溶接もしく
はろう付けによって行なうことができる。

ステンレス鋼部品の銅部品への接合はろう付けによって
行なうことができる。

動作については、予冷の際に低温冷却器１１が内側の第
１のスリーブ３１の中に配置される。低温槽１５と第１
のスリーブ３１が真空状態とされる。液体窒素のような
低温液が入口ポート６３に供給され、パイプ５７によっ
てシェルフ５ａの中のらせん形の流路に送られる。ステ
ンレス鋼のパイプ５７，５９．６１ならびに管によって
低温槽の外側と第１段の熱ステージジン３３との間の熱
伝導率が小さくなる。らせん形の流路の遠心動作によっ
て増強された強制対流沸騰により、低温冷却器インタフ
ェースの第１段に接続された第１の熱ステーションおよ
びシールド２５が最初に冷却される。沸騰液によって低
温蒸気が発生し、これは第２段の熱交換器５３に入って
、第２段の熱交換器をを徐冷する。ステンレス鋼のベロ
ー３１ｂは第１段と第２段との間の熱伝導を小さくする
。

低温蒸気による第２段の熱交換器の初期冷却の間に、磁
石巻線枠および巻線とシールド２５との間の放射熱交換
によって磁石巻線２１が徐々にかつ一様に予冷される。

シールドが充分に冷たくなると、第２段の熱交換器内で
強制対流沸騰が生じ、磁石巻線がより急速に冷却される
。冷却の終りに近づくと、冷却液の無駄使いを避けるた
めに冷却剤の流量を徐々に少なくしなければならない。

必要な流量の調節は出口ポートから出る冷却剤を観、測
し、液体が蒸気とともに排出される場合に流量を減らす
ことによって行なうことができる。

別々の熱交換器を有する予冷器の多段機能のため、最初
に磁石シールドを冷却した後、磁石自体を冷却すること
ができる。磁石の初期の徐冷によって磁石巻線内の温度
勾配が小さくなるので、熱応力が小さくなる。

場合によっては、予冷の間に異なる低温液を使った方が
都合がよいことがある。７７　°Ｋまでの初期冷却に液
体窒素を使い、以後の冷却に液体ヘリウムを使うことが
できる。第２段の熱ステーションしたがって磁石自体を
シールドよりも低い温度に冷却するために液体ヘリウム
を導入するとき、冷却剤の流れの方向を変えることが望
ましい場合がある。冷却が完了すれば、すべての冷却剤
、すなわち液相および気相を熱交換器およびパイプから
除去しなければならない。パイプ中に窒素が残っている
と磁石の動作中に凍ってしまい、低温槽の外部から内部
へ低熱伝導率の径路が形成される。

ヘリウム蒸気は良好な熱導体であり、排気によってパイ
プから除去しなければならない。

コールドヘッド・インタフェース・レセプタクルから低
温冷却器を除去する必要がなく、インタフェース内に霜
が形成される可能性がない、低温予冷器について説明し
てきた。予冷器は温度勾配したがって熱応力を小さくす
るような制御された速度で磁石巻線およびシールドを冷
却する。

一実施例について本発明を図示し説明してきたが、当業
者には本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく形式
および細部について種々の変更を加え得ることは明らか
であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超伝導磁石の予冷器、低温槽およ
びコールドヘッド・インタフェース・レセプタクルの部
分的な断面図である。 ［主な符号の説明］ １１・・・低温冷却器、 １５・・・低温槽、 ２１・・・超伝導巻線、 ２５・・・熱放射シールド、 ２７・・・低温槽の第１段の熱ステーション、２９・・
・低温槽の第２段の熱ステーション、３１ａ・・・イン
タフェースの第２段の熱ステーシゴン、 ３３・・・インタフェースの第１段の熱ステーション ３・・・第２段の熱交換器、 ５・・・第１段の熱交換器、 ７．５９．６１・・・パイプ、 ３・・・入口ポート、 ５・・・出口ポート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超伝導磁石に於いて、 第１および第２の熱ステーションをそなえた２段低温冷
   却器、 超伝導磁石巻線、 上記巻線から間隔を置いて配置され、かつ上記巻線を囲
   む熱放射シールド、 上記熱放射シールドから間隔を置いて配置され、かつ上
   記熱放射シールドを囲む開口が形成された低温槽、 上記低温槽の開口の中に配置された低温冷却器コールド
   ヘッド・インタフェース・レセプタクルであって、上記
   低温冷却器の第１および第２の熱ステーションに対して
   それぞれ熱が流れる関係に接続するための第１および第
   ２の熱ステーションを有し、これらの第１および第２の
   熱ステーションが互いから熱的に絶縁されている低温冷
   却器コールドヘッド・インタフェース・レセプタクル、
   上記インタフェース・レセプタクルの第１および第２の
   熱ステーションに対してそれぞれ熱が流れる関係に接続
   された第１段および第２段の熱交換器をそなえた予冷器
   、 冷却剤を供給し除去するために上記インタフェースに設
   けられた入口ポートおよび出口ポート、上記入口ポート
   および出口ポートの間に直列流れ関係に上記第１および
   第２の熱交換器を接続した、熱絶縁材料で作られたパイ
   プ手段、 を含むことを特徴とする超伝導磁石。 ２、上記第２の熱交換器は熱が流れる関係に上記磁石巻
   線と上記インタフェース・レセプタクルの第２段の熱ス
   テーションとの間に配置されている請求項１記載の超伝
   導磁石。