JPH11224813A - 極低温液体に浸漬する前に、質量体を予冷する方法と装置 - Google Patents
極低温液体に浸漬する前に、質量体を予冷する方法と装置Info
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- JPH11224813A JPH11224813A JP10317627A JP31762798A JPH11224813A JP H11224813 A JPH11224813 A JP H11224813A JP 10317627 A JP10317627 A JP 10317627A JP 31762798 A JP31762798 A JP 31762798A JP H11224813 A JPH11224813 A JP H11224813A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 液体窒素による超電導マグネットの汚染を避
け、超電導作用を得るのに必要なヘリウムを最少限にす
る。 【解決手段】 極低温液体の気相が、質量体（超電導磁
性体）１２が浸漬される極低温液体（液体ヘリウム）よ
りも高い沸点を有する極低温液体（液体窒素）との熱交
換２８により冷却される。冷却された気相は、質量体と
その収納容器１３とが望ましい予冷温度になるまで、質
量体を収納している容器を通って循環され、回収され、
再冷却され、再循環される。その後、極低温液体（液体
ヘリウム）が質量体を浸漬するために容器に導入され
る。
け、超電導作用を得るのに必要なヘリウムを最少限にす
る。 【解決手段】 極低温液体の気相が、質量体（超電導磁
性体）１２が浸漬される極低温液体（液体ヘリウム）よ
りも高い沸点を有する極低温液体（液体窒素）との熱交
換２８により冷却される。冷却された気相は、質量体と
その収納容器１３とが望ましい予冷温度になるまで、質
量体を収納している容器を通って循環され、回収され、
再冷却され、再循環される。その後、極低温液体（液体
ヘリウム）が質量体を浸漬するために容器に導入され
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、極低温液体に浸漬
することによって質量体を冷却すること、例えば、核磁
気共鳴映像（これ以後、“ＭＲＩ”と称する）に適した
ヘリウムで冷却された超電導マグネット装置、に関し、
特に、極低温液体冷媒を保護し、かつ冷却されている質
量体への汚染物質の導入を避けるための、改善され単純
化された質量体の予冷手段に関する。
することによって質量体を冷却すること、例えば、核磁
気共鳴映像（これ以後、“ＭＲＩ”と称する）に適した
ヘリウムで冷却された超電導マグネット装置、に関し、
特に、極低温液体冷媒を保護し、かつ冷却されている質
量体への汚染物質の導入を避けるための、改善され単純
化された質量体の予冷手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】よく知られているように、超電導マグネ
ットは、液体冷却剤、例えば、クライオスタット又は圧
力容器内に収められた液体ヘリウム、の中での浸漬のよ
うな、極低温環境内にそれを置くことによって、超電導
にされる。磁気コイルに電流を流すために、電力源が最
初に磁気コイルに接続されると（例えば１時間）、電流
は、電力が取り除かれた後でさえも、コイルに電気抵抗
がないためにコイルに流れ続け、それによって強い磁場
が維持されるように、磁気コイルが超電導作用に維持さ
れることを極低温が保証している。超電導マグネット装
置は、ＭＲＩの分野で広い用途がある。
ットは、液体冷却剤、例えば、クライオスタット又は圧
力容器内に収められた液体ヘリウム、の中での浸漬のよ
うな、極低温環境内にそれを置くことによって、超電導
にされる。磁気コイルに電流を流すために、電力源が最
初に磁気コイルに接続されると（例えば１時間）、電流
は、電力が取り除かれた後でさえも、コイルに電気抵抗
がないためにコイルに流れ続け、それによって強い磁場
が維持されるように、磁気コイルが超電導作用に維持さ
れることを極低温が保証している。超電導マグネット装
置は、ＭＲＩの分野で広い用途がある。
【０００３】極低温の温度を提供するために、液体ヘリ
ウムを使用することが広く行われ、ＭＲＩの作用にとっ
て満足のいくものであるが、世界中のＭＲＩ装置に液体
ヘリウムを安定して供給することが、困難でかつ高価で
あることが立証されている。結果として、かなりの研究
と開発の努力が、質量体を最初に冷却し、連続運転中に
その低温度を維持するのに必要とされる液体ヘリウムの
ような冷却剤の沸騰量を最少限にすることに向けられて
いた。
ウムを使用することが広く行われ、ＭＲＩの作用にとっ
て満足のいくものであるが、世界中のＭＲＩ装置に液体
ヘリウムを安定して供給することが、困難でかつ高価で
あることが立証されている。結果として、かなりの研究
と開発の努力が、質量体を最初に冷却し、連続運転中に
その低温度を維持するのに必要とされる液体ヘリウムの
ような冷却剤の沸騰量を最少限にすることに向けられて
いた。
【０００４】液体ヘリウムの冷却の使用を最少限にし、
かつそれを助力する１つの方法は、８０°〜９０°Ｋの
ような初期の冷却温度を得るために、マグネットに液体
窒素を流し、その後、液体ヘリウムの冷却による超電導
温度への最終的な冷却を開始する前に、窒素をパージす
る（超電導マグネットに不安定性をもたらす窒素汚染を
避けるため）ような、初期に補助の冷却媒体を利用する
ことである。
かつそれを助力する１つの方法は、８０°〜９０°Ｋの
ような初期の冷却温度を得るために、マグネットに液体
窒素を流し、その後、液体ヘリウムの冷却による超電導
温度への最終的な冷却を開始する前に、窒素をパージす
る（超電導マグネットに不安定性をもたらす窒素汚染を
避けるため）ような、初期に補助の冷却媒体を利用する
ことである。
【０００５】液体窒素のパージは、マグネットに純粋で
温かい気体ヘリウムを流すことによって行われる。この
あとに、マグネットを超電導温度（４°Ｋのような）に
まで更に冷却するために、マグネットに液体ヘリウムが
導入される。
温かい気体ヘリウムを流すことによって行われる。この
あとに、マグネットを超電導温度（４°Ｋのような）に
まで更に冷却するために、マグネットに液体ヘリウムが
導入される。
【０００６】しかしながら、予冷のためにマグネットに
低温液体窒素を初期に導入することは、制御されない急
冷によって生じる応力によって、マグネットに衝撃を与
え、ヘリウムの純度に影響を与える。例えばもし窒素
が、液体ヘリウムを充填する前に、クライオスタット又
は封入容器から完全にパージされないならば、ヘリウム
精製装置が窒素を分離しなければならず、回収処理工程
を一層難かしく、次いで回収されるヘリウム量を減らし
ている。
低温液体窒素を初期に導入することは、制御されない急
冷によって生じる応力によって、マグネットに衝撃を与
え、ヘリウムの純度に影響を与える。例えばもし窒素
が、液体ヘリウムを充填する前に、クライオスタット又
は封入容器から完全にパージされないならば、ヘリウム
精製装置が窒素を分離しなければならず、回収処理工程
を一層難かしく、次いで回収されるヘリウム量を減らし
ている。
【０００７】加えて、液体ヘリウムを容器に充填する前
に、超電導マグネットを保持しているクライオスタット
又は封入容器に、パージを伴なう液体窒素を結果的に導
入することは、時間の浪費である。気体ヘリウムによる
パージは、マグネットを液体窒素温度であるほぼ８０°
Ｋから１１０°Ｋのようなより高い温度に温めもし、マ
グネットを超電導温度にまで冷却するには、さらに液体
ヘリウムと時間とを必要とする。超電導温度へのマグネ
ットのその後の冷却はまた、マグネット内で窒素を凍ら
せ、マグネットの超電導作用を不安定にし、“クエンチ
ング”や、急速な気体ヘリウムの蒸発損（ボイルオフ）
をもつ超電導作用の突然の停止及びマグネット内の高圧
の発生等を起こす。
に、超電導マグネットを保持しているクライオスタット
又は封入容器に、パージを伴なう液体窒素を結果的に導
入することは、時間の浪費である。気体ヘリウムによる
パージは、マグネットを液体窒素温度であるほぼ８０°
Ｋから１１０°Ｋのようなより高い温度に温めもし、マ
グネットを超電導温度にまで冷却するには、さらに液体
ヘリウムと時間とを必要とする。超電導温度へのマグネ
ットのその後の冷却はまた、マグネット内で窒素を凍ら
せ、マグネットの超電導作用を不安定にし、“クエンチ
ング”や、急速な気体ヘリウムの蒸発損（ボイルオフ）
をもつ超電導作用の突然の停止及びマグネット内の高圧
の発生等を起こす。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、液体窒素によ
る超電導マグネットの汚染を避けることと、超電導作用
を得るのに必要とされるヘリウムを最少限にすること及
びマグネットを超電導温度にまで冷却するのに必要とさ
れる全体の時間を減らすことが望ましい。
る超電導マグネットの汚染を避けることと、超電導作用
を得るのに必要とされるヘリウムを最少限にすること及
びマグネットを超電導温度にまで冷却するのに必要とさ
れる全体の時間を減らすことが望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、液体された冷
却剤、例えば超電導マグネットを冷却する液体ヘリウ
ム、の中に浸漬することによって質量体を冷却する装置
と共に使用される液体窒素の予冷装置と方法である。本
発明は、浸漬により質量体を冷却するのに用いられる液
体冷却剤の沸点よりも高い標準の沸点を有する第２の極
低温液体との熱交換によって、液体冷却剤の気相を冷却
することに関する。例えばヘリウムが超電導マグネット
装置を冷却するのに用いられるなら、気体ヘリウムを液
体窒素の温度にまで熱交換によって冷却すること、及び
マグネット装置に冷却された気体ヘリウムを循環するこ
とによって、気体ヘリウムがマグネット装置を予冷する
のに用いられる。マグネット装置を予冷するのに低温の
気体ヘリウムを用いることは、ヘリウムと質量体の汚染
を避け熱衝撃を減らし、回収ヘリウムの汚染をなくし、
窒素のパージのために気体ヘリウムを導入することによ
る加温をなくしている。
却剤、例えば超電導マグネットを冷却する液体ヘリウ
ム、の中に浸漬することによって質量体を冷却する装置
と共に使用される液体窒素の予冷装置と方法である。本
発明は、浸漬により質量体を冷却するのに用いられる液
体冷却剤の沸点よりも高い標準の沸点を有する第２の極
低温液体との熱交換によって、液体冷却剤の気相を冷却
することに関する。例えばヘリウムが超電導マグネット
装置を冷却するのに用いられるなら、気体ヘリウムを液
体窒素の温度にまで熱交換によって冷却すること、及び
マグネット装置に冷却された気体ヘリウムを循環するこ
とによって、気体ヘリウムがマグネット装置を予冷する
のに用いられる。マグネット装置を予冷するのに低温の
気体ヘリウムを用いることは、ヘリウムと質量体の汚染
を避け熱衝撃を減らし、回収ヘリウムの汚染をなくし、
窒素のパージのために気体ヘリウムを導入することによ
る加温をなくしている。
【００１０】本発明によれば、液体浸漬冷却剤の気相を
用いて質量体を予冷することは、冷却率を制御すること
によって質量体の熱応力を減らし、質量体を最終的な作
用温度にまで冷却する全体の時間を減らしている。
用いて質量体を予冷することは、冷却率を制御すること
によって質量体の熱応力を減らし、質量体を最終的な作
用温度にまで冷却する全体の時間を減らしている。
【００１１】本発明の１つの形態によれば、液体ヘリウ
ム内への浸漬によってマグネットを超電導温度にまで冷
却させるその後の冷却の前に、マグネットを初期の低い
温度にまで冷却するために、マグネットを収容している
容器内に循環される気体ヘリウムを冷却するのに、液体
窒素が用いられている装置に、ヘリウムで冷却される超
電導マグネットが設けられている。このように、例えば
液体窒素との熱交換によって、特定の温度にまで冷却さ
れた気体ヘリウムを用いることで、マグネットを初期に
予冷することは、超電導マグネットの初期の温度降下
（クールダウン）中に、液体窒素がマグネットに入るの
を防いでいる。
ム内への浸漬によってマグネットを超電導温度にまで冷
却させるその後の冷却の前に、マグネットを初期の低い
温度にまで冷却するために、マグネットを収容している
容器内に循環される気体ヘリウムを冷却するのに、液体
窒素が用いられている装置に、ヘリウムで冷却される超
電導マグネットが設けられている。このように、例えば
液体窒素との熱交換によって、特定の温度にまで冷却さ
れた気体ヘリウムを用いることで、マグネットを初期に
予冷することは、超電導マグネットの初期の温度降下
（クールダウン）中に、液体窒素がマグネットに入るの
を防いでいる。
【００１２】初期の冷却後の窒素の汚染をまぬがれてい
るマグネットは、超電導作用が可能なようにマグネット
温度を更に低くするために、液体ヘリウムをすぐに導入
する準備ができている。初期の低温度に到達するのに必
要とされるヘリウム量及びそれに係わった時間とが、液
体窒素によって超電導マグネット又は気体ヘリウムを汚
染することなしに、最少にされている。
るマグネットは、超電導作用が可能なようにマグネット
温度を更に低くするために、液体ヘリウムをすぐに導入
する準備ができている。初期の低温度に到達するのに必
要とされるヘリウム量及びそれに係わった時間とが、液
体窒素によって超電導マグネット又は気体ヘリウムを汚
染することなしに、最少にされている。
【００１３】本発明の目的は、本来の大気温度（２９５
°Ｋ）から気体ヘリウムの約７８°Ｋまで、質量体（例
えば超電導マグネット）を予冷することである。気体ヘ
リウムは、これを達成するには、ほぼ液体窒素温度（ま
たはこれ以下）でなければならない。予冷後、マグネッ
トは、更に冷却され、液体ヘリウムが充填される。
°Ｋ）から気体ヘリウムの約７８°Ｋまで、質量体（例
えば超電導マグネット）を予冷することである。気体ヘ
リウムは、これを達成するには、ほぼ液体窒素温度（ま
たはこれ以下）でなければならない。予冷後、マグネッ
トは、更に冷却され、液体ヘリウムが充填される。
【００１４】工業界が直面している問題は、気体ヘリウ
ムを冷却し、循環する装置をもつことなく、液体窒素を
直接に注入することが、そのような装置を冷却する方法
であったことである。窒素は、これらの装置にとって汚
染物質であり、マグネットの作用にとって不利に作用し
ていることが見いだされた。窒素は、磁場がなくなる
と、熱の大量で急速な放出を伴う偽りのクエンチ（超電
導よりもむしろ抵抗状態にコイルが戻ること）を起こす
と信じられていた。マグネット内で高いヘリウム純度を
達成するには、直接的な液体窒素の注入段階後に、マグ
ネットから純粋な（温かい）気体ヘリウムでパージされ
る。液体窒素がマグネット内の孤立したプールに残り、
そのような経験が、パージがマグネットから残りの窒素
を必ずしも完全になくしていないことを示している。温
かい気体ヘリウムの導入は、マグネットにいくらかの再
加温を起こし、最終の冷却段階を完全にするには付加の
液体ヘリウムを必要とする。マグネットを予冷する処理
工程は、やや厳しい仕事であり、昔から約３日を要す
る。
ムを冷却し、循環する装置をもつことなく、液体窒素を
直接に注入することが、そのような装置を冷却する方法
であったことである。窒素は、これらの装置にとって汚
染物質であり、マグネットの作用にとって不利に作用し
ていることが見いだされた。窒素は、磁場がなくなる
と、熱の大量で急速な放出を伴う偽りのクエンチ（超電
導よりもむしろ抵抗状態にコイルが戻ること）を起こす
と信じられていた。マグネット内で高いヘリウム純度を
達成するには、直接的な液体窒素の注入段階後に、マグ
ネットから純粋な（温かい）気体ヘリウムでパージされ
る。液体窒素がマグネット内の孤立したプールに残り、
そのような経験が、パージがマグネットから残りの窒素
を必ずしも完全になくしていないことを示している。温
かい気体ヘリウムの導入は、マグネットにいくらかの再
加温を起こし、最終の冷却段階を完全にするには付加の
液体ヘリウムを必要とする。マグネットを予冷する処理
工程は、やや厳しい仕事であり、昔から約３日を要す
る。
【００１５】本発明の１つの方法では、純粋なヘリウム
の流れが、液体窒素の浴内のコイル管式熱交換器で冷却
される。冷却された気体ヘリウムは、再循環しないで、
それが、熱交換器（それを冷却する）とプリパージされ
たマグネット（マグネットを冷却する）とを通ったとき
に、それは、回収装置に解放される。この方法で４００
０ポンドのマグネットを冷却するのに必要とされるヘリ
ウム量は、少なくとも８０００ドルの市価である１１０
０ポンド（５００kg）を超える。これは、マグネットを
予冷する法外に費用のかかる方法である。
の流れが、液体窒素の浴内のコイル管式熱交換器で冷却
される。冷却された気体ヘリウムは、再循環しないで、
それが、熱交換器（それを冷却する）とプリパージされ
たマグネット（マグネットを冷却する）とを通ったとき
に、それは、回収装置に解放される。この方法で４００
０ポンドのマグネットを冷却するのに必要とされるヘリ
ウム量は、少なくとも８０００ドルの市価である１１０
０ポンド（５００kg）を超える。これは、マグネットを
予冷する法外に費用のかかる方法である。
【００１６】本発明の好ましい方法と装置は、冷却され
る質量体からの気体ヘリウムを再循環させ、熱交換器で
このヘリウムをほぼ液体窒素温度（約７８°Ｋ）まで冷
却し、質量体を予冷するために、真空にカバーされた移
送ラインにより移送された低温の気体ヘリウムを用いて
いる。この方法によって、気体ヘリウムは、質量体を予
冷するのに連続的に再冷却され、再使用される。
る質量体からの気体ヘリウムを再循環させ、熱交換器で
このヘリウムをほぼ液体窒素温度（約７８°Ｋ）まで冷
却し、質量体を予冷するために、真空にカバーされた移
送ラインにより移送された低温の気体ヘリウムを用いて
いる。この方法によって、気体ヘリウムは、質量体を予
冷するのに連続的に再冷却され、再使用される。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、装置１０は冷
却される質量体１２を含んでいる。例えば、質量体１２
は、ＭＲＩ装置に使用される型の超電導マグネットであ
る。冷却される質量体１２が超電導マグネットであるな
ら、それは、内部にマグネット１２を囲んでいるヘリウ
ムを入れている容器である圧力容器１３内に、通常は収
納されている。内部容器１３は、過度の圧力から内部容
器１３と予冷装置を保護するために、圧力逃がし装置１
７が備え付けられている。外部容器１５は、内部容器を
大気温度から断熱するのを助けるために、内部容器の外
側を真空に保つようにしている。そのような装置は、マ
グネットが超電導状態に達することができるように、液
体ヘリウム温度まで通常は冷却されている。当業者にと
ってよく知られているように、液体ヘリウムは、液体ヘ
リウム供給導管１４を通って圧力容器又はクライオスタ
ット内に導入される。
却される質量体１２を含んでいる。例えば、質量体１２
は、ＭＲＩ装置に使用される型の超電導マグネットであ
る。冷却される質量体１２が超電導マグネットであるな
ら、それは、内部にマグネット１２を囲んでいるヘリウ
ムを入れている容器である圧力容器１３内に、通常は収
納されている。内部容器１３は、過度の圧力から内部容
器１３と予冷装置を保護するために、圧力逃がし装置１
７が備え付けられている。外部容器１５は、内部容器を
大気温度から断熱するのを助けるために、内部容器の外
側を真空に保つようにしている。そのような装置は、マ
グネットが超電導状態に達することができるように、液
体ヘリウム温度まで通常は冷却されている。当業者にと
ってよく知られているように、液体ヘリウムは、液体ヘ
リウム供給導管１４を通って圧力容器又はクライオスタ
ット内に導入される。
【００１８】マグネット１２を保持している容器１３に
液体ヘリウムを充填する前に、質量体又はマグネット１
２を入れている内部容器及びマグネット１２は、好まし
くはほぼ液体窒素温度、例えば７８°Ｋ（−１９５
℃）、にまで予冷される。液体ヘリウムを充填する前に
マグネット１２と内部容器１３とを予冷するために、気
体ヘリウムが、気体ヘリウム制御弁１９により気体ヘリ
ウム供給源（図示されていない）から導管１８を通り、
更に電動機駆動の気体ヘリウム循環ブロワ２０を通っ
て、熱交換器２８へと供給される。気体ヘリウム循環ブ
ロワ２０は、ＥＧアンドＧロトロンによって製作された
市販の渦流ブロワであり、液体窒素温度、例えば約８０
°Ｋ（−１９３℃）で運転できるように改造されてい
る。市販のブロワへのこの改造は、 ａ．低温度の運転に適さない材料で作られた全ての部品
が、適切な材料に変えられた。 ｂ．軸受アーバ構造が、より大きな軸受スパンをもつよ
り長くてより細いシャフトに変えられた。 ｃ．低温端（インペラーに最も近い）の軸受構造が、ボ
ール（転がり要素）軸受が失敗した場合のために、バッ
クアップの摺動ジャーナル軸受を組み入れるように変え
られた。 ｄ．軸シールから大気へのヘリウムの漏洩通路が、低温
端軸受と軸受アーバを取り除くために、脇へそらされ
た。これは、低温軸受を湿った外気にさらすのを防いで
おり、回転を妨げる軸受要素の腐食又は凍結を防いでい
る。これは、ヘリウム装置内への空気の進入の障害とし
ても働き、こうして処理の純度を維持している。 ｅ．低温端軸受は、グリースの凍結を防ぐために電気ヒ
ータで加熱されるか、又は好ましくは極低温度で作動で
きる軸受が使用される。
液体ヘリウムを充填する前に、質量体又はマグネット１
２を入れている内部容器及びマグネット１２は、好まし
くはほぼ液体窒素温度、例えば７８°Ｋ（−１９５
℃）、にまで予冷される。液体ヘリウムを充填する前に
マグネット１２と内部容器１３とを予冷するために、気
体ヘリウムが、気体ヘリウム制御弁１９により気体ヘリ
ウム供給源（図示されていない）から導管１８を通り、
更に電動機駆動の気体ヘリウム循環ブロワ２０を通っ
て、熱交換器２８へと供給される。気体ヘリウム循環ブ
ロワ２０は、ＥＧアンドＧロトロンによって製作された
市販の渦流ブロワであり、液体窒素温度、例えば約８０
°Ｋ（−１９３℃）で運転できるように改造されてい
る。市販のブロワへのこの改造は、 ａ．低温度の運転に適さない材料で作られた全ての部品
が、適切な材料に変えられた。 ｂ．軸受アーバ構造が、より大きな軸受スパンをもつよ
り長くてより細いシャフトに変えられた。 ｃ．低温端（インペラーに最も近い）の軸受構造が、ボ
ール（転がり要素）軸受が失敗した場合のために、バッ
クアップの摺動ジャーナル軸受を組み入れるように変え
られた。 ｄ．軸シールから大気へのヘリウムの漏洩通路が、低温
端軸受と軸受アーバを取り除くために、脇へそらされ
た。これは、低温軸受を湿った外気にさらすのを防いで
おり、回転を妨げる軸受要素の腐食又は凍結を防いでい
る。これは、ヘリウム装置内への空気の進入の障害とし
ても働き、こうして処理の純度を維持している。 ｅ．低温端軸受は、グリースの凍結を防ぐために電気ヒ
ータで加熱されるか、又は好ましくは極低温度で作動で
きる軸受が使用される。
【００１９】ブロワの流量と増加した圧力は、圧縮され
た生成物（再使用される気相）の密度による。流量と増
加した圧力は共に、生成物の密度が増すにつれ増加す
る。生成物の密度は、気相の再循環が質量体が冷却する
につれ増加するように、冷却される質量体の温度が低く
なるにつれ、増加する。これが、質量体が熱応力を受け
やすい場合である冷却処理工程の始めに生成物の密度を
限定すること、及び冷却処理工程が終了に近くなるにつ
れて、生成物の密度を増加することによって、効率的に
流れを制御している。
た生成物（再使用される気相）の密度による。流量と増
加した圧力は共に、生成物の密度が増すにつれ増加す
る。生成物の密度は、気相の再循環が質量体が冷却する
につれ増加するように、冷却される質量体の温度が低く
なるにつれ、増加する。これが、質量体が熱応力を受け
やすい場合である冷却処理工程の始めに生成物の密度を
限定すること、及び冷却処理工程が終了に近くなるにつ
れて、生成物の密度を増加することによって、効率的に
流れを制御している。
【００２０】マグネット１２と内部容器を予冷するため
に、気体ヘリウムが、ほぼ液体窒素の温度、例えば７８
°Ｋ（−１９５℃）にまで予冷されている気体ヘリウム
と一緒に容器１３を通って循環される。図１に示される
ように、導管１８により供給された気体ヘリウムは、
０．５〜０．７psigのレベルに装置内の圧力を保つため
に、ブロワ２０で加圧される。ブロワ２０を出る加圧さ
れたヘリウムは、導管２４に送られ、それから熱交換器
２８内に配置された熱交換管２６内に送られる。熱交換
器２８は、ＩＴＴ社により製作、販売されている板状フ
ィン型交換器のような市販の装置である。
に、気体ヘリウムが、ほぼ液体窒素の温度、例えば７８
°Ｋ（−１９５℃）にまで予冷されている気体ヘリウム
と一緒に容器１３を通って循環される。図１に示される
ように、導管１８により供給された気体ヘリウムは、
０．５〜０．７psigのレベルに装置内の圧力を保つため
に、ブロワ２０で加圧される。ブロワ２０を出る加圧さ
れたヘリウムは、導管２４に送られ、それから熱交換器
２８内に配置された熱交換管２６内に送られる。熱交換
器２８は、ＩＴＴ社により製作、販売されている板状フ
ィン型交換器のような市販の装置である。
【００２１】熱交換管２６内の気体ヘリウムは、熱交換
器２０内の熱交換管３０に導入された対向流の液体窒素
によってレベルされる。液体窒素は、液体窒素供給容器
３２から導管３４、制御弁３６、圧力逃がし弁３８及び
温度制御弁４０を通って熱交換管３０に導入される。温
度制御弁４０は、熱交換器２８の出口の液体窒素の排出
ライン４２とヘリウムの入口２４との温度差に応答す
る。熱交換管２６，３０は、大気熱の浸入から管２６，
３０を断熱するために熱交換器２８の外側のカバーを形
成している断熱包囲体２９の内に収納されている。
器２０内の熱交換管３０に導入された対向流の液体窒素
によってレベルされる。液体窒素は、液体窒素供給容器
３２から導管３４、制御弁３６、圧力逃がし弁３８及び
温度制御弁４０を通って熱交換管３０に導入される。温
度制御弁４０は、熱交換器２８の出口の液体窒素の排出
ライン４２とヘリウムの入口２４との温度差に応答す
る。熱交換管２６，３０は、大気熱の浸入から管２６，
３０を断熱するために熱交換器２８の外側のカバーを形
成している断熱包囲体２９の内に収納されている。
【００２２】熱交換管３０に入る液体窒素は、重大な意
味をもつ蒸気量を含んでいる。管３０内の液体窒素の流
量が、弁３６の人手による絞りによって主として制御さ
れ、気体窒素の管４２内の排出流れを、ブロワ２０から
導管２４を通って熱交換管２６に入る気体ヘリウムより
ももっと冷たい５〜１０°Ｋの温度に維持する特定の温
度制御弁４０によって管理されている。熱交換器を出る
気体窒素流のほんの一部分が、包囲体内の乾燥した環境
を維持するために、包囲体２９内に向きを変えられてい
る。
味をもつ蒸気量を含んでいる。管３０内の液体窒素の流
量が、弁３６の人手による絞りによって主として制御さ
れ、気体窒素の管４２内の排出流れを、ブロワ２０から
導管２４を通って熱交換管２６に入る気体ヘリウムより
ももっと冷たい５〜１０°Ｋの温度に維持する特定の温
度制御弁４０によって管理されている。熱交換器を出る
気体窒素流のほんの一部分が、包囲体内の乾燥した環境
を維持するために、包囲体２９内に向きを変えられてい
る。
【００２３】真空に覆われたライン４４を通って熱交換
器２８を出る気体ヘリウムは、熱交換器２８に入る液体
窒素の温度よりも僅かに高い約８０°Ｋの温度である。
真空に覆われたライン４４は、多数のクライオスタット
に冷却された気体ヘリウムを導入するのに用いられ、そ
の１つが容器１３として示されている。真空で断熱され
た移送ライン４４により移送された圧縮され、冷却され
た気体ヘリウムは、大気から気体ヘリウムへの熱伝達を
最少にしている。
器２８を出る気体ヘリウムは、熱交換器２８に入る液体
窒素の温度よりも僅かに高い約８０°Ｋの温度である。
真空に覆われたライン４４は、多数のクライオスタット
に冷却された気体ヘリウムを導入するのに用いられ、そ
の１つが容器１３として示されている。真空で断熱され
た移送ライン４４により移送された圧縮され、冷却され
た気体ヘリウムは、大気から気体ヘリウムへの熱伝達を
最少にしている。
【００２４】冷却される質量体１２内では、気体ヘリウ
ムが容器１３を出る前に、冷却される質量体から入って
くる気体ヘリウム流への熱伝達を最大にするために、真
空に覆われたライン４６を通って出る高温ヘリウムへの
低温で入るヘリウムの離別を最大にすることが好まし
い。導管４６より容器１３を出るヘリウムと、付加の導
管４６を通って別の容器を出るヘリウムとが、ヘリウム
がもう１度冷却され、質量体１２を予冷する容器１３に
再導入される熱交換器２８を通るヘリウムの循環を維持
するために、循環ブロワ２０に導入される。付加の補充
気体ヘリウムが、いつでもライン１８と制御弁１９を通
って導入される。
ムが容器１３を出る前に、冷却される質量体から入って
くる気体ヘリウム流への熱伝達を最大にするために、真
空に覆われたライン４６を通って出る高温ヘリウムへの
低温で入るヘリウムの離別を最大にすることが好まし
い。導管４６より容器１３を出るヘリウムと、付加の導
管４６を通って別の容器を出るヘリウムとが、ヘリウム
がもう１度冷却され、質量体１２を予冷する容器１３に
再導入される熱交換器２８を通るヘリウムの循環を維持
するために、循環ブロワ２０に導入される。付加の補充
気体ヘリウムが、いつでもライン１８と制御弁１９を通
って導入される。
【００２５】〔表１〕は、本発明の真空に覆われた質量
体を予冷するためのプロセスパラメーターを示してい
る。
体を予冷するためのプロセスパラメーターを示してい
る。
【表１】 〔表１〕は、以下の位置でのデータを示している。１
は、内部容器から引き出された気体であり、２は、ブロ
ワ排出部であり、３は、熱交換管２６の低温端であり、
４は、熱交換管３０への液体窒素の出口であり、かつ５
は、内部容器１３への液体ヘリウムの入口である。
は、内部容器から引き出された気体であり、２は、ブロ
ワ排出部であり、３は、熱交換管２６の低温端であり、
４は、熱交換管３０への液体窒素の出口であり、かつ５
は、内部容器１３への液体ヘリウムの入口である。
【００２６】１つ以上の質量体が同時に冷却される場合
には、他の処理状件が増やされる。付加の質量体が同時
に同じ温度でないので、冷却される質量体の容器から出
る気体は、ほぼ上述の範囲内の温度である。質量流量
は、より高能力のブロワによって改良された特定の圧力
に減らすために、単一の質量体の冷却にリストされた正
確な複合の流量よりも僅かに少ないであろう。
には、他の処理状件が増やされる。付加の質量体が同時
に同じ温度でないので、冷却される質量体の容器から出
る気体は、ほぼ上述の範囲内の温度である。質量流量
は、より高能力のブロワによって改良された特定の圧力
に減らすために、単一の質量体の冷却にリストされた正
確な複合の流量よりも僅かに少ないであろう。
【００２７】閉鎖回路内の気体ヘリウム冷媒の循環が、
極低温の循環圧縮機によって維持される処理工程は、従
来技術ではない。これは、そのような圧縮機を設計する
難しさ、又は極低温運転に適したそのような圧縮機を購
入するのが高価である故である。ヘリウムの流れを液体
窒素温度にまで冷却する一過性の処理工程は、上記の装
備よりも法外に高くつくものである。
極低温の循環圧縮機によって維持される処理工程は、従
来技術ではない。これは、そのような圧縮機を設計する
難しさ、又は極低温運転に適したそのような圧縮機を購
入するのが高価である故である。ヘリウムの流れを液体
窒素温度にまで冷却する一過性の処理工程は、上記の装
備よりも法外に高くつくものである。
【００２８】本発明は、冷却処理工程からの汚染物質を
なくしており、こうして他の方法では、ＭＲＩマグネッ
トのような装置にパージし、冷却し、充填するのに使用
されるヘリウムの約７％であるパージ気体をなくしてい
るために、価値がある。更に本発明の処理方法と装置と
は、高温ヘリウムが直接的な冷却剤として用いられた液
体窒素に取って代わり、かつこれをパージするのに用い
られる場合に生じる、予冷された質量体の再加温を防い
でいる。これが、冷却と充填の処理工程を完了するのに
必要とされる液体ヘリウムの付加量を約１６％にまで減
らしている。液体ヘリウムの価額が高い場所では、これ
は、ＭＲＩマグネットのような装置を準備し、運転する
のに結び付いた重要な経費節減となっている。
なくしており、こうして他の方法では、ＭＲＩマグネッ
トのような装置にパージし、冷却し、充填するのに使用
されるヘリウムの約７％であるパージ気体をなくしてい
るために、価値がある。更に本発明の処理方法と装置と
は、高温ヘリウムが直接的な冷却剤として用いられた液
体窒素に取って代わり、かつこれをパージするのに用い
られる場合に生じる、予冷された質量体の再加温を防い
でいる。これが、冷却と充填の処理工程を完了するのに
必要とされる液体ヘリウムの付加量を約１６％にまで減
らしている。液体ヘリウムの価額が高い場所では、これ
は、ＭＲＩマグネットのような装置を準備し、運転する
のに結び付いた重要な経費節減となっている。
【００２９】更に前述のように、冷却媒体、例えばヘリ
ウム、からの汚染物質をなくすことは、前述のうように
ＭＲＩマグネットのような装置が“クエンチング”する
のを防止できることは重要である。
ウム、からの汚染物質をなくすことは、前述のうように
ＭＲＩマグネットのような装置が“クエンチング”する
のを防止できることは重要である。
【００３０】液体窒素が熱交換器内の気体ヘリウムの流
れとは別れたままでいるので、圧力容器の窒素の汚染が
なく、それにより初期の冷却後の圧力容器のパージが必
要でなく、流量制御弁での窒素の流量の制御による冷却
量の制御が、冷却時間及び窒素消費量を最少にしてい
る。
れとは別れたままでいるので、圧力容器の窒素の汚染が
なく、それにより初期の冷却後の圧力容器のパージが必
要でなく、流量制御弁での窒素の流量の制御による冷却
量の制御が、冷却時間及び窒素消費量を最少にしてい
る。
【００３１】本発明の方法は、質量体、例えばＭＲＩマ
グネット、が冷却のために浸漬される極低温液体に組成
が同一である気体、例えばヘリウム、を循環して用いて
いる。この気体は、別の源から供給されるか、又は極低
温液体を入れている貯蔵容器から沸騰して回収されたも
のである。
グネット、が冷却のために浸漬される極低温液体に組成
が同一である気体、例えばヘリウム、を循環して用いて
いる。この気体は、別の源から供給されるか、又は極低
温液体を入れている貯蔵容器から沸騰して回収されたも
のである。
【００３２】本発明の方法によれば、極低温液体と組成
が同一である気体が、この気体が予冷される標準の沸点
を有している極低温液体との熱交換によって予冷され
る。この第２の又は熱交換用低温液体の標準の沸点は、
その気体が冷却される温度又はそれ以下の温度である
が、冷却される質量体を浸漬するのに用いられる極低温
液体の温度より高い。第２の極低温液体との熱交換後の
気体は、予冷される質量体を入れている容器内に導入さ
れる。予冷される質量体との接触後、容器から加温され
た気体が排出され、第２の極低温流体の付加の供給と一
緒になって熱交換による冷却のために、再循環ブロワを
通って熱交換器へと再循環される。
が同一である気体が、この気体が予冷される標準の沸点
を有している極低温液体との熱交換によって予冷され
る。この第２の又は熱交換用低温液体の標準の沸点は、
その気体が冷却される温度又はそれ以下の温度である
が、冷却される質量体を浸漬するのに用いられる極低温
液体の温度より高い。第２の極低温液体との熱交換後の
気体は、予冷される質量体を入れている容器内に導入さ
れる。予冷される質量体との接触後、容器から加温され
た気体が排出され、第２の極低温流体の付加の供給と一
緒になって熱交換による冷却のために、再循環ブロワを
通って熱交換器へと再循環される。
【００３３】再循環ブロワは、ラインと、熱交換器及び
質量体を通って気体を循環させるために、循環気体と予
冷された気体との特定の圧力を維持している。付加の気
体は、装置内の循環気体の量と圧力を維持するために、
ブロワの上流で循環ブロワに導入される。第２の極低温
流体は、全体の装置を運転する経済状態に応じて、再使
用のために回収されたり又はいずれかの都合のよい方法
で処理されている。
質量体を通って気体を循環させるために、循環気体と予
冷された気体との特定の圧力を維持している。付加の気
体は、装置内の循環気体の量と圧力を維持するために、
ブロワの上流で循環ブロワに導入される。第２の極低温
流体は、全体の装置を運転する経済状態に応じて、再使
用のために回収されたり又はいずれかの都合のよい方法
で処理されている。
【００３４】例えば冷却される質量体が、断熱容器内に
配置され、液体ヘリウム中に浸漬されることによって通
常は冷却されるなら、第２の極低温流体は液体窒素であ
ってもよい。
配置され、液体ヘリウム中に浸漬されることによって通
常は冷却されるなら、第２の極低温流体は液体窒素であ
ってもよい。
【００３５】質量体が望ましい温度に予冷されると、そ
のときは極低温液体が質量体を入れている容器内に導入
され、質量体が通常の作用を開始するように、極低温流
体内に沈められる。
のときは極低温液体が質量体を入れている容器内に導入
され、質量体が通常の作用を開始するように、極低温流
体内に沈められる。
【００３６】或る特定の実施の形態を参照にしてここで
示し、説明されているが、本発明は、示された細部にま
で限定されるものではない。更に、請求の範囲で規定さ
れるように、本発明の範囲内で細部では多くの変更が可
能である。
示し、説明されているが、本発明は、示された細部にま
で限定されるものではない。更に、請求の範囲で規定さ
れるように、本発明の範囲内で細部では多くの変更が可
能である。
【図１】図１は、本発明の冷却装置を採用している超電
導マグネットの概略の回路図である。
導マグネットの概略の回路図である。
１０…装置 １２…質量体 １３…内部容器 １４…ヘリウム供給導管 １５…外部容器 １７…圧力逃がし装置 １９…気体ヘリウム制御弁 ２０…循環ブロワ ２８…熱交換器 ３２…液体窒素供給容器 ３６…制御弁 ３８…圧力逃がし弁 ４０…温度制御弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス ウィンター シャック アメリカ合衆国，ペンシルバニア 18045, イーストン，オールド オーチャード ド ライブ 34 (72)発明者 デビッド ジョナサン チョーク アメリカ合衆国，ペンシルバニア 18080, スラティントン，ベンチャー コート 6210 (72)発明者 シャンルイ ホワング アメリカ合衆国，サウス カロライナ 29501，フローレンス，オーク チェース レーン 1017 (72)発明者 ローレンス ビンセント ビシュケ アメリカ合衆国，サウス カロライナ 29506，フローレンス，イースト ウィウ ィパク ドライブ 3307 (72)発明者 シャウン パトリック オーシー アメリカ合衆国，サウス カロライナ 29501，フローレンス，イーグル ストリ ート 3906
Claims (10)
- 【請求項１】 大気温度以下の温度に質量体を予冷する
方法において、この方法が、 質量体を浸漬するのに用いられる極低温液体の気相の源
を提供する段階と、 望ましい予冷温度の標準の沸点を有する第２の極低温液
体との熱交換によって気相を冷却する段階と、かつ気相
の温度にまで質量体に接触して、これを予冷するため
に、冷却された気相を使用する段階と、を具備している
質量体の予冷方法。 - 【請求項２】 前記質量体に接触後の気相が、質量体を
予冷するために、連続的に再冷却され、再使用されると
ころの請求項１に記載の質量体の予冷方法。 - 【請求項３】 気相の予冷パラメータを維持するため
に、再使用の気相に付加の気相を加えることを含んでい
る請求項２に記載の質量体の予冷方法。 - 【請求項４】 望ましい温度にまで予冷された後に、質
量体を液体冷却剤内に浸漬する段階を含んでいる請求項
１に記載の質量体の予冷方法。 - 【請求項５】 再使用の気相の循環率を減らすことによ
って、質量体の初期の冷却率を制限することを含んでい
る請求項２に記載の質量体の予冷方法。 - 【請求項６】 極低温液体内に浸漬することによって、
最終の低温度まで冷却される質量体を予冷する装置にお
いて、 前記極低温液体とその中に浸漬された前記質量体との浴
を収納する容器と、 極低温液体と同一の組成を有する気体源と、 質量体が予冷される温度までの標準の沸点、又はそれよ
りも僅かに低い標準の沸点を有する第２の極低温液体と
の熱交換によって、前記気体を予冷するのに適した熱交
換手段と、 前記容器と前記質量体とを予冷するために、前記容器内
に前記予冷された気体を導入する手段と、 前記容器と前記質量体とを冷却後に、前記容器から前記
予冷された気体を取り出す手段と、かつ前記容器に再導
入される前に、前記取り出した気体を前記容器に再循環
し、前記熱交換器内で前記取り出した気体を再冷却する
ための手段と、 を組み合わせて具備している質量体の予冷装置。 - 【請求項７】 前記予冷された気体と前記再循環予冷さ
れた気体とを再循環し、維持するための循環ブロワを含
んでいる請求項６に記載の質量体の予冷装置。 - 【請求項８】 前記気体を取り出し、再循環する前記手
段が、前記容器と前記熱交換器との間で真空に覆われた
移送ラインを含んでいるところの請求項６に記載に質量
体の予冷装置。 - 【請求項９】 前記極低温液体を前記容器に導入する手
段を含んでいる請求項６に記載の質量体の予冷装置。 - 【請求項１０】 前記循環ブロワが、適切な作動温度で
その軸受を保ち、かつ極低温液体の気相で前記軸受をパ
ージすることによって、低温度で作動するように改良さ
れた再生式ブロワであるところの請求項７に記載の質量
体の予冷装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/970,376 US5960636A (en) | 1997-11-14 | 1997-11-14 | Method and apparatus for precooling a mass prior to immersion in a cryogenic liquid |
| US08/970376 | 1997-11-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11224813A true JPH11224813A (ja) | 1999-08-17 |
| JP2982148B2 JP2982148B2 (ja) | 1999-11-22 |
Family
ID=25516861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10317627A Expired - Lifetime JP2982148B2 (ja) | 1997-11-14 | 1998-11-09 | 極低温液体に浸漬する前に、質量体を予冷する方法と装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5960636A (ja) |
| EP (1) | EP0916890A3 (ja) |
| JP (1) | JP2982148B2 (ja) |
| KR (1) | KR100301684B1 (ja) |
| CN (1) | CN1099567C (ja) |
| CA (1) | CA2253107C (ja) |
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