JPH0586050B2 - - Google Patents

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際に使用
される低温予冷器に関するものである。

現在使用されている超伝導磁石は極低温で動作
する。これらの磁石を始動するためには、磁石か
ら顕熱を取り去つて室温から極低温まで冷却しな
ければならない。全身磁気共鳴イメージングのた
めに使用される磁石の質量が大きいため、取り去
るべきエネルギーの量がかなり大きい。通常、定
常状態動作に対する大きさになつている低温冷却
器を使用する磁石の緩冷には何日もかかることが
あり得る。ところで、磁石の高速冷却では熱応力
が生じ、これにより磁石が構造的に破損すること
が起り得る。磁石シールドのまわりにゆるやかに
巻かれた管に低温液を通すことによりシールドを
冷却するための低温冷却器をそなえた磁石におい
て、現在、予冷が行なわれている。このため、付
加的な配管と付加的な物理的スペースが必要とな
る。

本発明の１つの目的は過度の熱応力を避けるよ
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。

本発明のもう１つの目的は超伝導磁石の巻線ま
たは磁石低温槽の中に付加的な配管や付加的なス
ペースを必要としない予冷器を提供することであ
る。

本発明の更にもう１つの目的は超伝導磁石から
完全に取り外すことができ、磁石のコストを上昇
させない予冷器を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は既存の多段低温
冷却器インタフエースを使用する予冷器を提供す
ることである。

発明の要約 本発明の一面によれば、２段低温冷却器を使用
し、かつ２段インタフエースをそなえた、超伝導
磁石の初期冷却のための２段予冷器が提供され
る。この予冷器は該予冷器を２段インタフエース
に固定するための取付けフランジをそなえてい
る。第１段および第２段の熱交換器には低温流体
を通すための流路が設けられる。第１段の熱ステ
ーシヨンが第１段の熱交換器に結合されて、それ
らの間に熱の流れを生じさせる。第１の熱絶縁手
段が第１段の熱交換器を取付けフランジに機械的
に結合する。第２段の熱ステーシヨンが第２段の
熱交換器に結合されて、それらの間に熱の流れを
生じさせる。第１段および第２段の熱ステーシヨ
ンは互いから、また取付けフランジから離されて
おり、挿入されたときに２段インタフエースの熱
ステーシヨンに接触する。第２の熱絶縁手段が第
１および第２の熱交換器を機械的に結合する。絶
縁されたパイプがフランジの入力ポートを第１段
の熱交換器の中の流路の一端に接続する。また、
絶縁されたパイプにより第１段の熱交換器の中の
流路の他端が第２段の熱交換器の中の一端に接続
される。もう１つの熱的に絶縁されたパイプが第
２段の熱交換器の流路の他端を取付けフランジの
出口ポートに接続する。

発明と考えられる主題は特許請求の範囲に明確
に記載されている。しかし、本発明の構成と実施
方法、および上記以外の目的と利点は添付の図面
を参照した以下の説明により明らかとなる。

発明の詳しい説明 第１図には２段予冷器が示されている。予冷器
には相互に結合されて同一軸線上にある直径の異
なる２つの円筒形部分１１および１３が含まれて
いる。直径の大きな部分１１は第１段としての役
目を果し、取付けフランジ１５に固定されてい
る。そそれぞれ円筒形部分１１および１３の端に
あるフランジ１５ならびに熱ステーシヨン１７お
よび１９は予冷すべき磁石と一緒に通常使用され
る低温冷却器と同じ外径となるように設計される
ので、予冷器は多段低温冷却器インタフエース
（図示しない）を使用することができる。

予冷器の第１段部分１１は熱伝導性材料の円筒
形シエル２１を含み、シエルの外側表面にはらせ
ん形の溝２３が機械加工により形成されている。
シエル２１はスリーブ２５によつて囲まれてい
る。スリーブ２５はシエルのまわりに焼きばめさ
れていて、らせん形の流路を形成するように溝の
外側を閉じている。シエルの軸方向の一端は、予
冷器の第１段の熱ステーシヨン１７としての役目
を果す、中央開口をそなえた円板に固定される。
円板は熱伝導率の良い材料で作られる。シエル２
１は第１段すなわち円筒形部分１１の軸方向の全
長にわたつて伸びている訳ではない。熱絶縁体と
しての役目を果す、熱伝導率の悪い材料で作られ
た管２７が、一端でシエル２１の肩に結合され、
他端でフランジ１５に結合される。

第２段１３は熱伝導率の良い材料で作られた中
実の円筒形のコア３１を含み、その外側表面には
らせん状の溝３３が機械加工により形成されてい
る。スリーブ３５がコアに焼きばめされていて、
コアの一端から軸方向に他端まで伸びるらせん状
の流路が形成されている。熱伝導率の良い材料で
作られた円板１９がコアの軸方向の一端に固定さ
れ、この円板は第２段に対する熱ステーシヨン１
９としての役目を果す。コア３１は第２段１３の
軸方向全長にわたつては伸びていない。熱伝導率
の悪い材料で作られた管３７がコア３１の肩に固
定されている。管３７は第１段の円板すなわち熱
ステーシヨン１７の開口を通つて伸び、かつ熱ス
テーシヨン１７に固定されている。

第１図および第２図に示すように、取付けフラ
ンジ１５は入口ポート４１および出口ポート４３
をそなえている。入口ポート４１は熱伝導率の悪
いパイプ４５によりシエル２１の内部の開口４７
に接続されている。開口４７はらせん形の流路の
一端と流通している。熱伝導率の低い材料で作ら
れたパイプ５１の一端がシエル内部の開口５３に
接続されている。開口５３はシエル内のらせん形
の流路の出口と流通している。パイプ５１の他端
はコア３１のらせん形の流路の一端に接続されて
いる。

次に第１図および第３図に示すように、コア３
１内のらせん形の流路の他端は軸方向に伸びる孔
５５へと伸びている。孔５５はコアの中を貫通
し、入口開口の近くの開口で終る。熱伝導率の低
い材料で作られたパイプ５７がこの開口から出口
ポート４３まで伸びる。圧力逃し弁６１が予冷器
内部と流れが通じるようにフランジ１５に固定さ
れている。

本実施例では、熱伝導率の高い材料が必要なと
き銅が使用される。熱伝導率の悪い材料が必要な
ときはステンレス鋼が使用される。ステンレス鋼
の管はそれを通る熱流を更に小さくするため厚さ
が約30ミル（0.762mm）の薄い壁で作られる。焼
きばめされるスリーブは銅で作られる。フランジ
はステンレス鋼で作ることができる。銅と銅の結
合は電子ビーム溶接によつて形成することができ
る。銅をステンレス鋼に結合するためろう付けを
使うことができる。ろう付けは銅65％と金35％と
の合金のようなろう付け合金を使つて雰囲気が水
素または真空の炉の中で行なうことができる。

低温冷却器の第１段がシールドを冷却し、第２
段が磁石巻線を冷却するような低温冷却器を使用
する磁石に関連して予冷器の動作を説明する。こ
の型式の磁石は米国特許出願第215165号（1988年
７月５日出願）に示されている。動作について
は、予冷器が低温冷却器インタフエースの、低温
冷却器に取つて代わる。インジウムのように伝熱
特性の良い軟かい材料が予冷器の熱ステーシヨン
とインタフエースの熱ステーシヨンとの間のイン
タフエースで使用される。磁石低温槽（図示しな
い）が真空状態に排気される。液体窒素のような
低温液体が入口ポート４１に供給されて、パイプ
４５によつてシエル２１のらせん形流路に運ばれ
る。ステンレス鋼のパイプおよび管２７によつ
て、予冷器の外側と第１段の熱ステーシヨン１７
との間の熱伝導が小さくなる。らせん形流路の遠
心作用によつて増強された強制対流沸騰により最
初に、第１段の熱ステーシヨン１７と低温冷却器
の第１段１１に接続されたシールド（図示しな
い）とが冷却される。沸騰液から生ずる低温蒸気
は予冷器の第２段に入つて、第２段を徐々に冷却
する。ステンレス鋼のパイプ５１によつて、第１
段と第２段との間の熱伝導が小さくなる。低温蒸
気を使つた第２段のこの最初の冷却の間、磁石と
シールド（図示しない）との間の半径方向の熱交
換によつて磁石が徐々に、かつ一様に予冷され
る。シールドが充分に冷たくなると、予冷器の第
２段１３に強制対流沸騰が生じ、磁石がより急速
に冷却される。冷却終了に近づくにつれて、冷却
液の無駄使いを避けるために冷却剤の流量を徐々
に小さくしなければならない。排出ポートから出
てくる冷却剤を観察し、蒸気とともに液体が排出
されていれば流量を小さくすることにより、必要
な流量の調整を行うことができる。

予冷器の多段機能のため、まず磁石シールドを
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り磁石巻線内の温度勾配が
小さくなり、その結果、熱応力が小さくなる。

場合によつては、予冷の間に異なる冷却液使う
のが有利になることがある。77〓までの最初の冷
却に対しては液体窒素を使うことができ、更に冷
却するため液体ヘリウムを使うことができる。第
２段の熱ステーシヨン１９を冷却して磁石自体を
シールドの温度より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は冷却剤の流れの方向
を変えることが望ましいことがある。冷却が完了
すると、予冷器は除去され、低温冷却器に置き換
えられる。配管および流路から冷却液が漏れて予
冷器内部で気化することによつて生じる圧力の上
昇を防止するために圧力逃し弁６１が設けられて
いる。熱交換器に冷却液を導入する前に予冷器内
部を排気することもできるが、これは必ずしも必
要ではない。

次に第４図および第５図には、本発明による予
冷器のもう１つの実施例が示されている。この予
冷器は同一軸線上にあつて相互に結合された２個
の直径の異なる円筒形部分７１および７３を有す
る。直径が大きい方の円筒形部分７１が第１段と
しての役目を果し、取付けフランジ７５に固定さ
れている。それぞれ円筒形部分７１および７３の
端にあるフランジ７７および熱ステーシヨン７９
は予冷すべき磁石と一緒に通常使用される低温冷
却器と同じ寸法となるように設計される。これに
より、予冷器は低温冷却器インタフエースを使用
することが可能となる。

低温冷却器の第１段の部分７１は伝熱材料の円
筒形シエル８１を含む。シエル８１の外側表面に
は逆流式らせん形溝８３が機械加工により形成さ
れている。シエルはスリーブ８５で取り囲まれて
いる。スリーブ８５が焼きばめされて溝の外側を
閉じることにより、一端かららせん状に下に伸び
て他端に達した後にらせん状に最初の端へ戻るら
せん状流路が形成され、その内の流れを一方向に
通す流路部分が流れを反対方向に通す流路部分の
間にはさまれるように構成されている。シエル８
１の軸方向の一端には予冷器の第１段熱ステーシ
ヨン７７としての役目を果す、中心開口を有する
円板が一体に形成されている。シエル８１および
そのまわりのスリーブ８５は第１段７１の軸方向
全長にわたつて伸びている訳ではない。熱伝導率
の悪い材料で作られた管８７が一端でシエル８１
に形成された肩に結合され、他端でフランジ７５
に結合されている。

第２段は熱伝導率の良好な材料で作られた円筒
形の中実のコア９１を含む。コア９１の外側表面
には逆流式らせん形溝９３が機械加工により形成
されている。スリーブ９５がコア９１のまわりに
焼きばめされ、これにより逆流式流路が作られ
る。流路はコアの軸方向の一端で開始し、かつ終
了する。コアの軸方向他端に一体に形成された円
板が予冷器の第２段熱ステーシヨン７９としての
役目を果す。

コア９１は第２段の円筒形部分７３の長さより
長く伸びる。スリーブ９５は低熱伝導率の管９７
の一端を固定するための、直径を小さくした第１
の減径部分９５ａをそなえている。管９７の他端
は円板７７の中心開口を通つて伸び、かつシエル
８１の内壁に固定されている。第１段の熱交換器
と第２段の熱交換器の間の熱伝導を減らすため、
スリーブ９５の直径は再び小さくされて、肩部の
後に第２の減径部分９５ｂが形成される。このス
リーブの第２の減径部分と管９７との間に環状空
間が形成される。コア９１およびスリーブの減径
部分９５ｂは円板７７の中心開口およびシエル内
部を通つて伸びる。第２段の熱交換器を形成する
スリーブ９５およびコア９１は第１段の熱交換器
の一部を形成するシエル８１の内面から離れて配
置されている。

フランジ７５は入口ポート１０１および出口ポ
ート１０３をそなえている。熱伝導率の悪いパイ
プ１０５よつて、この入口ポートは逆流式流路の
１つと流通している開口１０７に接続されてい
る。パイプ１１１はシエル８１の他方の逆流式流
路をコア９１の一方の逆流式流路に接続する。熱
伝導率の悪いパイプ１１５により、出口ポート１
０３はコア９１の開口１１３を介してコアの他方
の逆流式流路に接続される。

前の実施例のように、熱伝導率の良好な材料が
必要なときは銅が使用される。熱伝導率の悪い材
料が必要なときはステンレス鋼が使用される。熱
伝導を更に小さくするため管８７および９７は厚
さの薄い（30ミル）ステンレス鋼で作られる。焼
きばめされるスリーブ８５および９５は銅で作ら
れる。フランジ７５は銅で作ることができる。銅
と銅との結合は電子ビーム溶接によつて形成する
ことができる。銅とステンレス鋼との結合にはろ
う付けを用いることができる。

動作においては、予冷器が磁石の低温冷却器イ
ンタフエースの低温冷却器に取つて代わる。冷却
は前に第１の実施例で述べたように行なわれる
が、逆流式流路を用いたことにより、流路に対す
る入口と出口の接続を熱交換器の同じ端で行える
ので、パイプの配管が簡略化される。取付けフラ
ンジに設けた圧力逃し弁１１７は圧力の上昇を解
放する。

次に第６図には予冷器のもう１つの実施例が示
されている。米国特許第4800345号に示されてい
る磁石のように低温冷却器の第１段および第２段
を用いて２個の異なるシールドを冷却するように
した磁石では、この予冷器を使用することができ
る。大きな磁石の直冷、および磁石の急速な冷却
に伴なう熱応力は関係ないので、第６図の実施例
は単一の熱交換器を使用する。銅のような熱伝導
率の良好な材料で作つた円筒形の中実なコア１２
１に機械加工により逆流式らせん形溝１２３を形
成する。銅のような熱伝導率の良い材料で作られ
たスリーブ１２５がコア１２１のまわりに焼きば
めされて、逆流式熱交換器が形成される。予冷過
程の間に予冷器が取つて代る低温冷却器の第１段
熱交換器の位置に対応する円筒形熱交換器に沿つ
た位置にスリーブは円板形の突出部１２７をそな
えている。円板１３１がコア１２１の一体部分と
して形成された熱交換器の一端に配置されて、低
温冷却器インタフエースの第２段熱ステーシヨン
（図示しない）に接触する。熱交換器の他端はス
テンレス鋼のような熱伝導率の悪い材料で作られ
た薄い管１３３に結合されているので、周囲から
第１段熱ステーシヨン１２７および第２段熱ステ
ーシヨン１３１への熱流が小さくなる。管１３３
はフランジ１３５に結合される。フランジ１３５
はステンレス鋼で作ることができる。フランジは
入口ポート１３７、出口ポート１３９、および圧
力逃し弁１４１をそなえている。熱伝導率の低い
材料で作つたパイプ１４３が入口ポート１３７
を、１つの逆流式流路に結合されてコア１２１の
開口に接続する。パイプ１４５が逆流式流路を出
口ポート１３９に接続する。

動作においては、予冷器は取付けフランジを使
つて低温冷却器インタフエース内に固定される。
磁石低温槽（図示しない）が真空状態とされる。
液体窒素が導入されて、管シールドを冷却する。
次に液体窒素を使つて、磁石巻線を冷却する。次
に液体ヘリウムを低温槽に導入して、磁石の冷却
を完了させる。予冷器は低温冷却器に置き換えら
れる。

以上、熱応力を避けるための制御された速度で
急速に超伝導磁石を冷却することができる予冷器
について説明した。この予冷器は、磁石の顕熱を
除去するために低温液体の蒸発の潜熱を使用して
いる。予冷器は磁石の一体部分ではなくて、サー
ビス用具である。

以上、本発明をそのいくつかの実施例について
詳しく図示し説明してきたが、本発明の趣旨や範
囲を逸脱することなく形式や細部について種々の
変更を加え得ることは当業者には明らかであろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による低温予冷器の部分断面側
面図である。第２図は第１図の予冷器の上面図で
ある。第３図は第１図の線−に沿つた断面図
である。第４図は本発明によるもう１つの低温予
冷器の部分断面側面図である。第５図は第４図の
上面図である。第６図は本発明による更にもう１
つの低温予冷器の部分断面側面図である。 主な符号の説明、１１，７１……円筒形部分
（第１段）、１３，７３……円筒形部分（第２段）、
１５，７５，７７，１３５……フランジ、１７，
１９，７９，１２７，１３１……熱ステーシヨ
ン、２１，８２……円筒形シエル、２３……らせ
ん形の溝、２５，８５，９５……スリーブ、２
７，３７，８７，９７，１３３……管、３１，９
１，１２１……コア、４１，１０１，１３７……
入口ポート、４３，１０３，１３９……出口ポー
ト、４５，５７，１０５，１１１，１１５，１４
３，１４５……パイプ、８３，９３，１２３……
逆流式らせん形溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２段低温冷却器を使用し、かつ２段インタフ
   エースをそなえた超伝導磁石の初期冷却のための
   予冷器に於いて、 当該予冷器を上記２段インタフエースに固定す
   るための取付けフランジであつて、入口ポートお
   よび出口ポートをそなえた取付けフランジ、 低温液体を通すための流路をそなえた熱交換
   器、 上記熱交換器と上記取付けフランジを機械的に
   結合する熱絶縁手段、 上記熱交換器に結合され、上記熱交換器との間
   に熱流を生じさせる第１段および第２段熱ステー
   シヨンであつて、上記２段インタフエースに挿入
   されたときに上記２段インタフエースの熱ステー
   シヨンと接触するように相互に且つ上記取付けフ
   ランジから間隔を置いて配置されている第１段お
   よび第２段熱ステーシヨン、 上記熱交換器の流路の一端と上記入口ポートと
   の間に流通関係に接続された第１の熱的に絶縁さ
   れたパイプ、ならびに 上記熱交換器の流路の他端と上記出口ポートと
   の間に接続された第２の熱的に絶縁されたパイ
   プ、を含むことを特徴とする予冷器。 ２ 上記熱交換器は逆流式流路をそなえている請
   求項１記載の予冷器。 ３ 上記絶縁手段はステンレス鋼の管で構成され
   ている請求項１記載の予冷器。 ４ 上記熱交換器は、外側表面にらせん形の溝が
   形成された熱伝導性の円筒体、および上記円筒体
   を囲んでらせん形の流路を形成するスリーブを含
   んでいる請求項１記載の予冷器。 ５ ２段低温冷却器を使用し、かつ２段インタフ
   エースをそなえた超伝導磁石の初期冷却のための
   ２段予冷器に於いて、 当該予冷器を上記２段インタフエースに固定す
   るための取付けフランジであつて、入口ポートお
   よび出口ポートをそなえた取付けフランジ、 低温液体を通すための流路をそなえた第１段熱
   交換器、 上記第１段熱交換器を上記取付けフランジに機
   械的に結合する第１の熱絶縁手段、 低温流体を
   通すための流路をそなえた第２段熱交換器、 上記第１段熱交換器との間に熱が流れるように
   上記第１段熱交換器に結合された第１段熱ステー
   シヨン、および 上記第２段熱交換器との間に熱が流れるように
   上記第２段熱交換器に結合された第２段熱ステー
   シヨンであつて、上記２段インタフエースの中に
   挿入されたときに上記２段インタフエースの熱ス
   テーシヨンと接触するように相互に且つ上記取付
   けフランジから間隔を置いて配置されている第１
   段および第２段熱ステーシヨン、 上記第１および第２段熱交換器を機械的に結合
   するための第２の熱絶縁手段、 上記入口ポートを上記第１段熱交換器内の流路
   の一端に流通するように接続する第１の熱的に絶
   縁されたパイプ、 上記第１段熱交換器の上記流路の他端を上記第
   ２段熱交換器の流路の一端に流通するように接続
   する第２の熱的に絶縁されたパイプ、ならびに 上記第２段熱交換器内の上記流路の他端を上記
   出口ポートに流通するように絶縁する第３の熱的
   に絶縁されたパイプ、 を含むことを特徴とする２段予冷器。 ６ 上記第１段および第２段熱交換器は逆流式流
   路をそなえている請求項５記載の２段予冷器。 ７ 上記第１および第２の絶縁手段はステンレス
   鋼の管で構成されている請求項５記載の２段予冷
   器。 ８ 上記第２段熱交換器は、外側表面にらせん形
   の溝が形成された伝熱性の円筒体、および上記円
   筒体を囲んでらせん形の流路を形成するスリーブ
   を有している請求項５記載の２段予冷器。 ９ 上記第１段熱交換器は、外側表面にらせん形
   の溝が形成された伝熱性円筒形シエル、および上
   記円筒形シエルを囲んでらせん形の流路を形成す
   るスリーブを含み、上記シエルの内部から上記第
   ２熱交換器にアクセスし得るようになつている請
   求項８記載の２段予冷器。 １０ 上記第２段熱交換器が上記第１段熱交換器
   のシエルの内側に伸びていて、それから離れてい
   る請求項９記載の２段予冷器。 １１ ２段インタフエースに取はずし可能な２段
   低温冷却器を使用する超伝導磁石の初期冷却のた
   めの２段予冷器に於いて、 当該予冷器を上記２段インタフエースに固定す
   るための取付けフランジであつて、入口ポートお
   よび出口ポートをそなえた取付けフランジ、 低温流体を通すための流路をそなえた第１段熱
   交換器、 上記第１段熱交換器を上記取付けフランジに機
   械的に結合する第１の熱絶縁手段、 低温流体を通すための流路をそなえた第２段熱
   交換器、 上記第１段熱交換器との間に熱が流れるように
   上記第１段熱交換器に結合された第１段熱ステー
   シヨン、および上記第２段熱交換器との間に熱が
   流れるように上記第２段熱交換器に結合された第
   ２段熱ステーシヨンであつて、上記２段インタフ
   エースの中に挿入されたときに上記２段インタフ
   エースの熱ステーシヨンに接触するように相互に
   且つ上記フランジから間隔の置いて配置されてい
   る第１段および第２段熱ステーシヨン、 上記第１および第２段熱交換器を機械的に結合
   する第２の熱絶縁手段、 上記入口ポートを上記第１段熱交換器内の流路
   の一端に流通するように接続する第１の熱的に絶
   縁されたパイプ、 第１段熱交換器の上記流路の他端を上記第２段
   熱交換器の流路の一端に流通するように接続する
   第２の熱的に絶縁されたパイプ、ならびに 上記第２段熱交換器内の上記流路の他端を上記
   出口ポートに流通するように接続する第３の熱的
   に接続されたパイプ、 を含むことを特徴とする２段予冷器。