KR101595437B1

KR101595437B1 - 냉각시스템의 감시방법 및 냉각시스템

Info

Publication number: KR101595437B1
Application number: KR1020140052208A
Authority: KR
Inventors: 쥰야 하마사키; 토루 마루야마
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2016-02-26
Also published as: JP2015061993A; EP2840334A1; CN104422218A; TW201508232A; US20150047377A1; EP2840334B1; TWI601923B; KR20150020986A; JP6425940B2; US10047977B2; CN110081639A

Abstract

냉각시스템의 이상 정지를 적절히 예측할 수 있는 기술을 제공한다.
냉각시스템은, 헬륨가스를 사용하는 GM 냉동기(4)와, GM 냉동기(4)로부터 되돌아오는 헬륨가스를 압축하여 GM 냉동기(4)로 공급하는 압축기(10)와, 제어부를 구비한다. 제어부는, GM 냉동기(4) 또는 압축기(10) 혹은 그 양방의 상태를 나타내는 상이한 복수의 파라미터의 측정치를 취득하는 측정치 취득부와, 측정치 취득부에 의하여 취득된 측정치에 소정의 다변량 해석을 실시하는 해석부를 포함한다.

Description

냉각시스템의 감시방법 및 냉각시스템{Cooling system and method for monitoring cooling system}

본 출원은, 2013년 8월 19일에 출원된 일본 특허출원 제2013-169405호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.

본 발명은, 냉동기와 압축기를 구비하는 냉각시스템의 감시방법 및 냉각시스템에 관한 것이다.

기포드·맥마흔식(GM) 냉동기, 펄스튜브 냉동기, 스털링 냉동기, 및 솔베이 냉동기 등의 냉동기는, 냉각 대상물을, 100K(켈빈) 정도의 저온부터 4K의 극저온까지의 범위로 냉각할 수 있다. 이러한 냉동기는, 초전도 자석이나 검출기 등의 냉각, 크라이오펌프 등에 이용되고 있다. 냉동기에는, 냉동기에 있어서 동작가스로서 사용되는 헬륨가스를 압축하기 위한 압축기가 부수된다.

냉동기나 압축기는 정기적인 메인터넌스가 필요한 기계이다. 냉동기를 사용하는 장치, 예를 들면 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 등의 초전도 자석 시스템의 오퍼레이터는, 통상, MRI의 가동에 대한 영향을 고려하면서 메인터넌스 계획을 세워, 충분한 준비를 한 후에 냉동기 및 압축기의 운전을 정지시킨다.

한편, 메인터넌스에 의한 계획적 정지와는 별도로, 돌발적으로 냉동기나 압축기의 운전이 정지하는 경우가 있다(이하, 이상 정지라고 칭함). 이상 정지가 발생한 경우, MRI 내의 액체헬륨이 증발하여, 초전도 코일의 퀀치나 예정되어 있던 MRI에 의한 검사 행위가 불가능해지는 등, 지장이 발생할 수 있다.

이상 정지에 의한 데미지를 회피하기 위한 수단의 하나로서, 종래, 냉동기나 압축기의 고장을 예측하는 기술이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

선행기술문헌

(특허문헌)

특허문헌 1: 일본 특허공개공보 평10-89787호

그러나, 특허문헌 1에 기재되어 있는 1개의 파라미터의 변화에 근거하는 고장예측 기술로는, 환경의 변화에 좌우되기 쉽기 때문에 신뢰성이 뒤떨어진다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 냉각시스템의 이상 정지를 적절히 예측할 수 있는 기술의 제공에 있다.

본 발명의 일 양태는 감시방법에 관한 것이다. 이 감시방법은, 가스를 사용하는 냉동기와, 냉동기로부터 되돌아오는 가스를 압축하여 냉동기로 공급하는 압축기를 구비하는 냉각시스템의 감시방법으로서, 냉동기 또는 압축기 혹은 그 양방의 상태를 나타내는 상이한 복수의 파라미터의 측정치를 취득하는 것과, 취득된 측정치에 소정의 다변량 해석(multivariate analysis)을 실시하는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 양태는, 냉각시스템이다. 이 냉각시스템은, 가스를 사용하는 냉동기와, 냉동기로부터 되돌아오는 가스를 압축하여 냉동기로 공급하는 압축기와, 제어부를 구비한다. 제어부는, 냉동기 또는 압축기 혹은 그 양방의 상태를 나타내는 상이한 복수의 파라미터의 측정치를 취득하는 측정치 취득부와, 측정치 취득부에 의하여 취득된 측정치에 소정의 다변량 해석을 실시하는 해석부를 포함한다.

다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나, 본 발명의 구성요소나 표현을 장치, 방법, 시스템, 컴퓨터 프로그램, 컴퓨터 프로그램을 격납한 기록 매체 등의 사이에서 상호 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.

본 발명에 의하면, 냉각시스템의 이상 정지를 적절히 예측할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.

도 1은 실시형태에 관한 냉각시스템을 구비하는 MRI 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1의 압축기의 구성도이다.
도 3은 MT 시스템의 개념을 나타내는 모식도이다.
도 4는 도 2의 제어부의 기능 및 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 4의 표준데이터 유지부의 일례를 나타내는 데이터 구조도이다.
도 6은 산출된 마할라노비스 거리에 의한 경고통지의 타이밍을 설명하기 위한 설명도이다.
도 7은 고장경고화면의 대표 화면도이다.
도 8은 도 2의 제어부에 있어서의 일련의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 9는 실시형태에 관한 냉각시스템을 구비하는 초전도 자석 시스템의 구성을 예시하는 모식도이다.

이하, 각 도면에 나타나는 동일 또는 동등한 구성요소, 부재, 처리에는, 동일한 부호를 붙이는 것으로 하고, 적절히 중복되는 설명은 생략한다. 또, 각 도면에 있어서의 부재의 치수는, 이해를 용이하게 하기 위하여 적절히 확대, 축소하여 나타낸다. 또, 각 도면에 있어서 실시형태를 설명하는 데 있어서 중요하지 않은 부재의 일부는 생략하여 표시한다.

냉동기 및 압축기를 포함하는 일반적인 냉각시스템에는, 압력스위치(또는 압력센서)나 온도스위치(또는 온도센서)가 각 부에 탑재되어 있다. 또, 이러한 냉각시스템에는, 가동 상태에 있어서의 “측정점의 값(이하, PV라고 칭함)”과 “설정된 값(이하, SV라고 칭함)”과의 비교에 의하여, PV＜SV이면 정상 상태, 그렇지 않으면 이상 상태라고 판단하여 즉시 운전을 정지하는 기능이 탑재되어 있다.

당해 기능을 기본으로 하여, 특허문헌 1에 기재되어 있는 기술의 연장선상에서 검토되는 고장 예지 기술로서, SV의 직전에 경고를 위한 수치(이하, WV라고 칭함)를 WV＜SV가 되도록 설정하고, PV＜WV＜SV이면 정상, WV＜PV＜SV이면 경고, WV＜SV＜PV가 되면 이상이라고 판단하는 방법을 생각할 수 있다(당해 방법은 본 발명자가 검토를 위하여 독자적으로 고안한 것이다). 이 방법은 언뜻 보면 유효하고, 경우에 따라서는 효율적으로 판정하는 것이 가능하다고 생각된다.

그러나, 냉각시스템에 있어서, 온도와 압력, 온도와 유량과 같은 2개의 파라미터의 상태 비교를 생각했을 경우, 단순하게 1개 1개의 파라미터의 PV1＜SV1, PV2＜SV2 등만으로는 판단할 수 없는 상태가 발생할 수 있다.

예를 들면, 압축기의 냉각수의 배관이 이물이나 불순물의 퇴적에 의하여 막혀, 서서히 냉각수 유량이 저하되는 문제(고장)를 예측하는 것을 생각할 수 있다. 냉각수 유량에 대해서는 일례로서는 사양으로 4l/min부터 9l/min이면 된다고 여겨진다. 상기 방법으로 생각하면, 초기의 냉각수 유량을 8l/min로 했을 경우, 서서히 냉각수 유량이 저하되므로, 사양의 최저 냉각수량인 4l/min 이하가 되면 이상이라고 판단하여, 그 직전인 5l/min에서 경고를 발함으로써 고장예측을 행할 수 있다.

이로써 고장예측이 실현되고 있는 것처럼 보이지만, 보다 상세하게 검토하면, 먼저 4l/min~5l/min의 범위에서는, 경고가 발해지지만 사양 범위 내이다. 따라서 오퍼레이터를 혼란시킬 가능성이 있다. 또, 초기의 유량이 5l/min 정도 밖에 없는 경우에는 상시 경고가 발해지게 된다. 즉, 상기 방법으로는, 처음에 8l/min였던 것이 막힘에 의하여 냉각수 유량이 감소되어 5l/min가 되었는지, 그렇지 않으면 냉각수 공급시설에 있어서의 공급 냉각수 유량의 설정이 8l/min로부터 5l/min로 감소했는지, 또는 처음부터 5l/min로 운전하고 있었는지를 기본적으로는 알 수 없다. 이러한 상황에는 고장이라고는 할 수 없는 상황도 포함되어 있어, 상기 방법으로는 고장의 징조인지 그렇지 않은지의 판단은 곤란하다. 또한, 동일한 5l/min에서도, 냉각수 온도에 의하여 사양의 범위 내인지 범위 외인지를 알 수 있는 조건이 존재하므로, 냉각수 유량만을 모니터하여, 유량의 값만으로 정상, 이상 직전, 이상을 명확하게 구분하는 것은 곤란하며, 오검지의 가능성이 높아진다.

이에 대해, 실시형태에 관한 냉각시스템의 감시방법으로는, 냉각시스템의 상태를 나타내는 상이한 복수의 파라미터의 측정 데이터에 대해서 다변량 해석을 실시하고, 그 결과에 근거하여 냉각시스템의 고장예측을 행한다. 이로써, 종래의 1변량에 의한 고장예측과 비교하여, 예측의 정밀도를 높일 수 있고, 또 오검지를 억제할 수 있다.

도 1은, 실시형태에 관한 냉각시스템을 구비하는 MRI 시스템(2)의 구성을 나타내는 모식도이다. MRI 시스템(2)은, 대략 도너츠 형상을 가지고 중앙을 피측정체가 통과하는 갠트리(6)와, 갠트리(6) 내를 냉각하는 GM 냉동기(4)와, GM 냉동기(4)와 2개의 플렉시블배관(8, 9)으로 접속된 압축기(10)와, 감시단말(100)을 구비한다. GM 냉동기(4), 압축기(10) 및 2개의 플렉시블배관(8, 9)은, 냉각 대상(이 경우는 갠트리(6) 내부)을 냉각하는, 실시형태에 관한 냉각시스템을 구성한다. 이 냉각시스템은, MRI 시스템(2)의 초전도 코일(6c)을 냉각하기 위하여 사용된다.

갠트리(6)는, 케이싱(6a)과, 실드(6b)와, 초전도 코일(6c)을 포함한다. 초전도 코일(6c)은 액체헬륨 온도(4.2K 정도)에서 초전도성을 나타내는 재료의 선재에 의하여 형성된다. 케이싱(6a)과 실드(6b)와의 사이의 공간은 열전도를 억제하기 위하여 진공으로 배기되어 있다. 실드(6b)는 초전도 코일(6c)을 에워싼다. 실드(6b)와 초전도 코일(6c)과의 사이의 공간은 액체헬륨조(6d)로 되어 있으며, MRI 시스템(2)의 가동 상태에서는 액체헬륨조(6d)에 액체헬륨이 보유되고 있다.

GM 냉동기(4)는 공지의 2단식의 GM 냉동기이며, 예를 들면 본 출원인이 선출원한 일본 특허공개공보 2011-190953호에 기재된 기술을 사용하여 구성되어도 된다. GM 냉동기(4)의 콜드헤드의 제1단 냉각스테이지(4a)는 실드(6b)와 기계적으로 결합되고, 제2단 냉각스테이지(4b)는 액체헬륨조(6d) 중 액체헬륨의 액면보다 위의 부분, 즉 기체측에 노출된다.

MRI 시스템(2)의 가동 상태에 있어서, 케이싱(6a)의 온도는 상온 즉 300K(켈빈) 정도이며, 실드(6b)의 온도는 GM 냉동기(4)의 냉각 작용에 의하여 40K~50K로 유지된다. 제2단 냉각스테이지(4b)는 증발한 헬륨을 재응축(액화)함으로써, 액체헬륨조(6d)의 압력을 기정치 이하로 유지한다.

액체헬륨조(6d)의 상부에는, 액체헬륨조(6d)의 압력(이하, 헬륨 내압이라고 칭함)을 측정하기 위한 압력센서(6e)가 장착되어 있다. 제1단 냉각스테이지(4a)에는, 제1단 냉각스테이지(4a)의 온도(이하, 제1단 온도라고 칭함)를 측정하기 위한 제 1단 온도센서(6f)가 장착되어 있다. 제1단 온도는 실드(6b)의 온도에 상당한다. 제2단 냉각스테이지(4b)에는, 제2단 냉각스테이지(4b)의 온도(이하, 제2단 온도라고 칭함)를 측정하기 위한 제 2단 온도센서(6g)가 장착되어 있다.

고압 플렉시블배관(8)은, 압축기(10)로부터 GM 냉동기(4)로 고압의 동작가스, 예를 들면 헬륨가스를 공급한다. 저압 플렉시블배관(9)은, GM 냉동기(4)로부터 압축기(10)로 저압의 헬륨가스를 공급한다.

압축기(10)는, 저압 플렉시블배관(9)을 통하여 GM 냉동기(4)로부터 되돌아오는 헬륨가스를 압축하여, 압축된 헬륨가스를 고압 플렉시블배관(8)을 통하여 GM 냉동기(4)로 공급한다. 압축기(10)는, 고압 플렉시블배관(8)이 접속되는 고압포트(10a)와, 저압 플렉시블배관(9)이 접속되는 저압포트(10b)와, 압축기(10)의 외부의 냉각수 순환장치(도시하지 않음)로부터 냉각수나 부동액 등의 냉각 액체를 받아들이기 위한 냉각수 유입포트(10c)와, 압축기(10)로부터 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 유출포트(10d)를 구비한다. 각 포트는 압축기(10)의 케이싱에 장착되어 있다.

냉각수 유입포트(10c)에는 냉각수 서플라이배관(5a)이 접속된다. 저온·고압의 냉각수는, 냉각수 순환장치로부터 냉각수 서플라이배관(5a) 내를 압축기(10)를 향하여 흘러, 냉각수 유입포트(10c)를 통과하여 압축기(10) 내부로 들어간다. 냉각수 유출포트(10d)에는 냉각수 리턴배관(5b)이 접속된다. 고온·저압의 냉각수는, 압축기(10) 내부로부터 냉각수 유출포트(10d)를 통과하여 냉각수 리턴배관(5b) 내를 냉각수 순환장치를 향하여 흐른다.

갠트리(6)의 제1 통신포트(6h)와, 압축기(10)의 제2 통신포트(10e)와, 감시단말(100)의 통신포트는 서로 유선 또는 무선의 네트워크를 통하여 접속되어 있다. 제1단 온도나 제2단 온도와 같은 GM 냉동기(4)에 있어서의 측정 정보, 및 헬륨 내압이나 초전도 코일(6c)에 흐르는 전류치 등의 MRI 시스템(2) 내부의 측정 정보는 전기신호의 형태로 제1 통신포트(6h)로부터 감시단말(100)로 전달된다.

감시단말(100)은 수신한 정보에 근거하는 MRI 시스템(2)의 상태를 디스플레이에 표시시킨다. 오퍼레이터는 감시단말(100)을 통하여 갠트리(6)나 압축기(10)의 온오프나 동작을 제어한다.

도 2는, 압축기(10)의 구성도이다. 압축기(10)는, 압축캡슐(11)과, 수냉식 열교환기(12)와, 고압측 배관(13)과, 저압측 배관(14)과, 오일세퍼레이터(15)와, 흡착기(adsorber)(16)와, 스토리지탱크(17)와, 바이패스기구(18)와, 제어부(58)를 포함한다. 압축기(10)는, GM 냉동기(4)로부터 저압 플렉시블배관(9)을 통하여 되돌려지는 저압의 헬륨가스를 압축캡슐(11)에서 승압하여, 고압 플렉시블배관(8)을 통하여 다시 GM 냉동기(4)로 공급한다.

GM 냉동기(4)로부터 되돌아오는 헬륨가스는, 저압 플렉시블배관(9)을 통하여 먼저 스토리지탱크(17)에 유입된다. 스토리지탱크(17)는, 되돌아오는 헬륨가스에 포함되는 맥동을 제거한다. 스토리지탱크(17)는 비교적 큰 용량을 가지고 있기 때문에, 헬륨가스를 스토리지탱크(17) 내에 도입함으로써 맥동을 경감 또는 제거할 수 있다.

스토리지탱크(17)에서 맥동이 경감 또는 제거된 헬륨가스는, 저압측 배관(14)으로 도출된다. 저압측 배관(14)은 압축캡슐(11)에 접속되어 있으며, 따라서 스토리지탱크(17)에 있어서 맥동이 경감 또는 제거된 헬륨가스는 압축캡슐(11)로 공급된다.

압축캡슐(11)은, 예를 들면 스크롤 방식 혹은 로터리식의 펌프이며, 저압측 배관(14)의 헬륨가스를 압축하여 승압한다. 압축캡슐(11)은, 승압된 헬륨가스를 고압측 배관(13A(13))으로 송출한다. 헬륨가스는 압축캡슐(11)에서 승압될 때, 압축캡슐(11) 내의 오일이 약간 혼입된 상태로 고압측 배관(13A(13))으로 송출된다.

압축캡슐(11)은, 오일을 이용하여 냉각을 행하는 구성으로 되어 있다. 이로 인하여, 오일을 순환시키는 오일냉각배관(33)은, 수냉식 열교환기(12)에 포함되는 오일 열교환부(26)에 접속된다. 또, 오일냉각배관(33)에는, 내부를 흐르는 오일 유량을 제어하는 오리피스(32)가 마련되어 있다.

수냉식 열교환기(12)는, 압축캡슐(11)에 있어서의 헬륨가스의 압축 시에 발생하는 열(이하, 압축열이라고 칭함)을 압축기(10)의 외부로 방출하기 위한 열교환을 실현한다. 수냉식 열교환기(12)는, 오일냉각배관(33)을 흐르는 오일의 냉각 처리를 행하는 오일 열교환부(26)와, 승압된 헬륨가스를 냉각하는 가스 열교환부(27)를 가지고 있다.

오일 열교환부(26)는, 오일이 흐르는 오일냉각배관(33)의 일부(26a)와, 냉각수가 흐르는 제1 냉각수배관(34)을 가지고, 이들 배관 사이에서 열교환이 행해지도록 구성된다. 압축캡슐(11)로부터 오일냉각배관(33)으로 배출되는 오일은 압축열에 의하여 고온으로 되어 있다. 이러한 고온의 오일이 오일 열교환부(26)를 통과하면, 열교환에 의하여 오일의 열이 냉각수로 이송되어, 오일 열교환부(26)를 나오는 오일의 온도는 오일 열교환부(26)에 들어가는 오일의 온도보다 낮아진다. 즉, 압축열은 오일냉각배관(33)을 흐르는 오일을 통하여 냉각수로 이송되어, 외부로 배출된다.

가스 열교환부(27)는, 고압의 헬륨가스가 흐르는 고압측 배관(13A)의 일부(27A)와, 냉각수가 흐르는 제2 냉각수배관(36)을 가진다. 가스 열교환부(27)에 대해, 오일 열교환부(26)와 마찬가지로, 압축열은 고압측 배관(13A(13)) 내를 흐르는 헬륨가스를 통하여 냉각수로 이송되어, 외부로 배출된다.

제1 냉각수배관(34)과 제2 냉각수배관(36)은 직렬로 접속된다. 제1 냉각수배관(34)의 일단은 수냉식 열교환기(12)의 냉각수 도입포트(12A)로서 기능한다. 제1 냉각수배관(34)의 타단은 제2 냉각수배관(36)의 일단과 접속된다. 제2 냉각수배관(36)의 타단은 수냉식 열교환기(12)의 냉각수 배출포트(12B)로서 기능한다.

압축기(10)는, 냉각수 유입포트(10c)와 냉각수 도입포트(12A)를 접속하는 제1 배관(42)과, 냉각수 유출포트(10d)와 냉각수 배출포트(12B)를 접속하는 제2 배관(44)을 구비한다.

계측유닛(60)은 제2 배관(44)에 마련되어 있다. 계측유닛(60)은 냉각수 유출포트(10d)로부터 유출되는 냉각수의 유량(이하, 배출냉각수 유량이라고 칭함) 및 온도(이하, 배출냉각수 온도라고 칭함)를 계측하여, 제어부(58)에 보고한다.

압축캡슐(11)에서 승압되어, 가스 열교환부(27)에서 냉각된 헬륨가스는, 고압측 배관(13A(13))을 통하여 오일세퍼레이터(15)로 공급된다. 오일세퍼레이터(15)에서는 헬륨가스에 포함되는 오일이 분리됨과 함께, 오일에 포함되는 불순물이나 먼지도 제거된다.

오일세퍼레이터(15)에서 오일 제거가 행해진 헬륨가스는, 고압측 배관(13B(13))을 통하여 흡착기(16)에 보내진다. 흡착기(16)는, 헬륨가스에 포함되는 특히 기화된 오일 성분을 제거하기 위한 것이다. 그리고, 흡착기(16)에 있어서 기화된 오일 성분이 제거되면, 헬륨가스는 고압 플렉시블배관(8)으로 도출되고, 이로써 GM 냉동기(4)로 공급된다.

흡착기(16)와 고압포트(10a)와의 사이의 배관에는, 압축기(10)로부터 나가는 헬륨가스의 온도(이하, 토출가스 온도라고 칭함)를 측정하기 위한 토출가스 온도센서(48)가 장착되어 있다. 토출가스 온도센서(48)는 토출가스 온도를 측정하여, 제어부(58)에 보고한다.

바이패스기구(18)는, 바이패스배관(19), 고압측 압력검출장치(20), 및 바이패스밸브(21)를 가진다. 바이패스배관(19)은, 고압측 배관(13B)과 저압측 배관(14)을 연통하는 배관이다. 고압측 압력검출장치(20)는, 고압측 배관(13B) 내의 헬륨가스의 압력(이하, 고압측 압력이라고 칭함)을 검출하여, 제어부(58)에 보고한다. 바이패스밸브(21)는, 바이패스배관(19)을 개폐하는 전동밸브장치이다. 또, 바이패스밸브(21)는 상시 폐쇄로 되어 있지만, 고압측 압력검출장치(20)에 의하여 구동 제어되는 구성으로 되어 있다.

구체적으로는, 고압측 압력검출장치(20)가 오일세퍼레이터(15)로부터 흡착기(16)에 이르는 헬륨가스의 압력(즉, 고압측 압력)이 기정압력 이상이 된 것을 검출했을 때, 바이패스밸브(21)는 고압측 압력검출장치(20)에 구동되어 개방되는 구성으로 되어 있다. 이로써, 기정압력 이상의 서플라이 가스가 GM 냉동기(4)로 공급될 가능성이 저감된다.

오일복귀배관(24)은, 고압측이 오일세퍼레이터(15)에 접속되어 있고, 저압측이 저압측 배관(14)에 접속되어 있다. 또, 오일복귀배관(24)의 도중에는, 오일세퍼레이터(15)에서 분리된 오일에 포함되는 먼지를 제거하는 필터(28)와, 오일의 복귀량을 제어하는 오리피스(29)가 마련되어 있다.

압축기(10)의 케이싱의 내측에는, 압축기(10)의 내부의 온도(이하, 압축기 내부온도라고 칭함)를 측정하기 위한 압축기 내부온도센서(50)가 장착되어 있다. 압축기 내부온도센서(50)는 압축기 내부온도를 측정하여, 제어부(58)에 보고한다.

제어부(58)는, 냉각시스템의 상태를 감시함으로써 압축기(10)나 GM 냉동기(4)의 이상 정지를 예측하여, 예측 결과에 근거하는 고장경고를 네트워크를 통하여 감시단말(100)에 제공한다. 제어부(58)는, 냉각시스템의 상태를 나타내는 상이한 복수의 파라미터의 측정 데이터에 다변량 해석을 실시하여, 그 결과에 근거하여 이상 정지를 예측한다.

특히 본 실시형태에서는, 제어부(58)에서 실행되는 다변량 해석으로서, MT(마할라노비스·다구찌) 시스템이 채용된다. MT 시스템에서는, 정상적인 상태나 평균적인 상태는 동향이 유사하다고 가정된다. 이 가정에 의하여, 정상적인 패턴 또는 경향을 정의한다. 한편, 이상한 상태나 평균적이지 않은 상태는 무엇이 일어날지 불명확하기 때문에, 불확정적인 동향이 되어, 패턴 또는 경향을 정의할 수 없다. 이것을 이용하여, 정의한 정상적인 패턴과 현재의 상태를 비교하여, 이들의 어긋남의 정도를 이용하여 현재 상태의 정상·이상을 식별하는 방법이다.

MT 시스템은, 편측 T법과, 양측 T법과, 복수 T법과, MT법을 포함한다.

도 3은, MT 시스템의 개념을 나타내는 모식도이다. MT 시스템에서는, 정상적인 상태나 평균적인 상태의 데이터를 비교적 많이 수집함으로써, 공간에 경계선을 정의한다. 이와 같이 정의된 정상적인 상태의 패턴으로부터 “어긋나 있는 거리”를 사용하여, 어느 정도 이상에 가까운지를 판단할 수 있다. 구체적으로는, 정상인 상태지표(54)의 집단으로부터 경계(52)를 정의한다. 그리고, 경계(52)로부터 일탈한 상태지표(56)에 대해서는, 이상 또는 이상에 보다 가깝다고 판정한다.

도 4는, 제어부(58)의 기능 및 구성을 나타내는 블록도이다. 여기에 나타내는 각 블록은, 하드웨어적으로는, 컴퓨터의 CPU를 비롯한 소자나 기계장치로 실현할 수 있고, 소프트웨어적으로는 컴퓨터 프로그램 등에 의하여 실현되지만, 여기에서는, 이들의 연계에 의하여 실현되는 기능 블록을 그리고 있다. 따라서, 이들 기능 블록이 하드웨어, 소프트웨어의 조합에 의하여 다양한 모습으로 실현될 수 있는 것은, 본 명세서를 접한 당업자에게는 이해되는 바이다.

제어부(58)는, 측정치 취득부(102)와, 해석부 또는 상태지표 산출부(104)와, 경고판정부(106)와, 경고통지부(108)와, 표준데이터 갱신부(110)와, 표준데이터 유지부(112)와, 로그유지부(114)를 포함한다.

표준데이터 유지부(112)는, 냉각시스템의 상태가 정상 또는 평균적일 때의 각 파라미터의 측정치를 유지한다. 표준데이터 유지부(112)는, 압축기(10)의 출하 전에 프리 인스톨되어, 후술하는 표준데이터 갱신부(110)에 의하여 필요에 따라서 갱신된다. 냉각시스템의 제조자는, 출하 전의 냉각시스템의 시운전 중에 표준데이터 유지부(112)에 등록해야 할 데이터를 취득해도 되고, 압축기(10)와 동형 기종의 압축기가 이미 다른 시스템에서 사용되고 있는 경우에는 그 데이터를 원용함으로써 표준데이터 유지부(112)에 등록해야 할 데이터를 취득해도 된다.

도 5는, 표준데이터 유지부(112)의 일례를 나타내는 데이터 구조도이다. 표준데이터 유지부(112)는, 시각과, 토출가스 온도와, 압축기 내부온도와, 배출냉각수 유량과, 배출냉각수 온도와, 고압측 압력과, 헬륨 내압과, 제1단 온도와, 제2단 온도와, 전원으로부터 압축기(10)로 공급되는 전류와, 전원으로부터 압축기(10)에 인가되는 전압과, 압축기(10)의 소비전력을 대응지어 유지한다.

도 4로 되돌아가, 측정치 취득부(102)는, 정기적으로 압축기(10)의 각 센서 및 갠트리(6)로부터 각 파라미터의 측정치를 취득한다. 측정치 취득부(102)는, 토출가스 온도센서(48)로부터 토출가스 온도의 측정치를, 압축기 내부온도센서(50)로부터 압축기 내부온도의 측정치를, 계측유닛(60)으로부터 배출냉각수 유량 및 배출냉각수 온도의 측정치를, 고압측 압력검출장치(20)로부터 고압측 압력의 측정치를, 네트워크를 통하여 MRI 내부의 측정치(예를 들면, 액체헬륨조(6d)의 압력(헬륨 내압), 초전도 코일(6c)의 온도 등)를, 제1단 온도센서(6f)로부터 네트워크를 통하여 제1단 온도의 측정치를, 제2단 온도센서(6g)로부터 네트워크를 통하여 제2단 온도의 측정치를, 압축기(10)의 도시하지 않은 전원제어유닛으로부터 공급전류, 공급전압의 측정치를, 각각 수신한다. 측정치 취득부(102)는, 수신한 측정치와 측정 시각을 대응지어 로그유지부(114)에 등록한다.

상태지표 산출부(104)는, 측정치 취득부(102)에 의하여 취득된 측정치에 MT 시스템을 적용함으로써, 상태지표(이하에서는, “판정치”라고 칭하는 경우도 있음)를 산출한다. 판정치는 예를 들면, 상술한 “어긋나 있는 거리”(예를 들면, 마할라노비스 거리), “어긋나 있는 거리”를 나타내는 값, 또는, “어긋나 있는 거리”에 근거하여 연산되는 값이다. 특히 상태지표 산출부(104)는, 표준데이터 유지부(112)에 유지되고 있는 데이터를 단위공간에 설정하고(예를 들면, 단위공간 데이터베이스를 생성하고), 측정치 취득부(102)에 의하여 취득된 측정치의 세트를 신호공간에 설정한다(예를 들면, 신호공간 데이터베이스를 생성한다). 상태지표 산출부(104)는, 이와 같이 설정된 단위공간 및 신호공간으로부터 판정치로서 “어긋나 있는 거리”를 산출한다. 상태지표 산출부(104)는, 산출된 판정치와 산출 시각을 대응지어 로그유지부(114)에 등록한다.

다만, 상태지표 산출부(104)가 판정치를 산출할 때에, 도 5에 나타나는 파라미터 모두를 사용해도 되고, 이들 중 적어도 2개를 사용해도 된다. 어느 파라미터를 사용할지는, 복수의 파라미터를 사용하는 한, 애플리케이션에 맞추어 적절히 설정되면 된다.

경고판정부(106)는, 상태지표 산출부(104)에 의하여 산출된 판정치와 소정의 경고임계치를 비교한다. 경고판정부(106)는, 전자가 후자보다 낮은 경우, 냉각시스템의 고장에 관한 경고는 불필요하다고 판정하고, 그렇지 않은 경우에는 경고가 필요하다고 판정한다.

경고통지부(108)는, 경고판정부(106)에 있어서 경고가 필요하다고 판정된 경우, 네트워크를 통하여 감시단말(100)에 경고화면 생성신호를 송신한다. 감시단말(100)은, 경고화면 생성신호를 수신하면, 냉각시스템의 고장에 관한 경고를 표시하는 고장경고화면을 디스플레이에 표시시킨다.

표준데이터 갱신부(110)는, 네트워크를 통하여 표준데이터 유지부(112)의 갱신데이터를 취득한다. 표준데이터 갱신부(110)는, 취득한 갱신데이터로 표준데이터 유지부(112)를 갱신한다.

도 6은, 산출된 판정치에 의한 경고통지의 타이밍을 설명하기 위한 설명도이다. 도 6의 그래프의 가로축은 1년의 12개월에 대응하고, 세로축은 산출된 판정치를 나타낸다. 1년을 통하여 냉각시스템에 특별히 고장이 발생하지 않았던 해의 데이터로부터 산출된 판정치는 부호 62, 64, 66으로 나타나고, 12월에 압축기(10)의 수냉식 열교환기(12)의 냉각수 막힘에 의하여 이상 정지한 해의 데이터로부터 산출된 판정치는 부호 68로 나타난다.

도 6에 나타나는 바와 같이, 이상 정지가 있는 해의 판정치의 시계열 데이터는, 다른 정상 시의 데이터로부터 서서히 괴리되어 가는 것을 알 수 있다. 본 실시형태에서는, 경고판정부(106)에 있어서의 경고임계치를 0.2로 설정함으로써(도 6의 일점 쇄선), 이상 정지가 발생하기 약 3개월 전에 오퍼레이터에게 고장에 관한 경고를 통지할 수 있다.

도 7은, 고장경고화면(70)의 대표 화면도이다. 고장경고화면(70)은, 냉각시스템의 상태가 이상 정지에 가까워지고 있음을 텍스트로 표시하고, 또한 오퍼레이터에게 냉각시스템의 메인터넌스를 촉구한다.

도 8은, 제어부(58)에 있어서의 일련의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 상태지표 산출부(104)는, 표준데이터 유지부(112)에 유지되는 표준데이터로부터 단위공간 데이터베이스(단위공간 DB라고도 칭함)를 생성한다(S202). 상태지표 산출부(104)는, 측정치 취득부(102)에 의하여 취득된 측정 데이터로부터 신호공간 데이터베이스(신호공간 DB라고도 칭함)를 생성한다(S203). 상태지표 산출부(104)는, 단위공간 DB와 신호공간 DB로 판정치를 산출한다(S204).

경고판정부(106)는, 산출된 판정치가, 경고임계치보다 큰지 아닌지를 판정한다(S206). 판정치가 경고임계치 이하인 경우(S206의 N), 처리는 종료된다. 판정치가 경고임계치보다 큰 경우(S206의 Y), 경고통지부(108)는 오퍼레이터에게 고장에 관한 경고를 통지하기 위한 처리를 행한다(S208).

본 실시형태에 관한 냉각시스템에 의하면, 냉각시스템의 상태를 나타내는 상이한 복수의 파라미터의 측정치에 대해서 다변량 해석이 실행되고, 그 결과에 근거하여 냉각시스템의 고장예측 및 경고통지가 행해진다. 따라서, 1변수에 의한 고장예측과 비교하여 예측의 정밀도를 높일 수 있다. 또, 다변량 해석에서는 파라미터간의 상관관계를 고려할 수 있으므로, 이상의 오검지를 억제할 수 있다.

또, 본 실시형태에 관한 냉각시스템에 의하면, 냉각시스템의 이상 정지가 발생하기 전의 경고통지가 가능해진다. 따라서, 오퍼레이터는 이상 정지가 발생하기 전에 MRI 시스템(2)의 정지, 메인터넌스 계획을 세워 실행할 수 있으므로, 오퍼레이터측의 업무에 주는 지장이 경감된다.

또, 본 실시형태에 관한 냉각시스템에서는, 다변량 해석으로서 MT 시스템이 채용된다. GM 냉동기(4)와 압축기(10)를 포함하는 냉각시스템의 상태를 나타내는 상이한 복수의 파라미터간의 상관관계는 비교적 높다. 예를 들면, 압축기(10)의 냉각수의 유입 온도가 상승하면, 배출냉각수 온도나 토출가스 온도도 상승할 수 있다. 그러면, GM 냉동기(4)의 냉동 능력이 저하되어 제1단 온도나 헬륨 내압이 상승할 수 있다. 이러한 상황에 있어서, 다변량 해석 중에서도 파라미터간의 상관관계를 적절히 고려할 수 있는 MT 시스템을 채용함으로써, 냉각시스템의 돌발적 이상의 발생을 보다 적확하게 예측할 수 있고, 또 오검지의 리스크를 저감시킬 수 있다.

이상, 실시형태에 관한 냉각시스템 및 이를 사용하는 MRI 시스템(2)에 대해 설명했다. 이 실시형태는 예시이며, 그 각 구성요소의 조합에 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다.

실시형태에서는, GM 냉동기(4)를 예로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 냉동기는 GM형 또는 스털링형 펄스튜브 냉동기나, 스털링 냉동기나, 솔베이 냉동기여도 된다.

실시형태에서는, 냉각시스템을 사용하는 MRI 시스템(2)에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 냉각시스템은, 초전도 마그넷, 크라이오펌프, X선 검출기, 적외선 센서, 양자광자 검출기, 반도체 검출기, 희석 냉동기, He3 냉동기, 단열소자 냉동기, 헬륨 액화기, 크라이오스탯 등에 있어서의 냉각 수단 또는 액화 수단으로서 사용되어도 된다.

실시형태에서는, 외부로부터 받는 데이터에 의하여 표준데이터 유지부(112)를 갱신하는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제어부는 학습에 의하여 표준데이터 유지부를 갱신해도 된다. 이 경우, 냉각시스템이 사용되는 환경에 특화된 단위공간을 형성하는 것이 가능해진다. 따라서, 외부로부터의 데이터에 의하여 갱신하는 경우와 비교하여, 고장예측의 정밀도를 높일 수 있다. 그러나, 냉각시스템이 MRI 시스템(2)으로부터 다른 시스템으로 옮겨지거나 하여 환경이 변화되는 경우, 고장예측의 정밀도는 낮아진다. 즉, 범용성에 있어서 뒤떨어진다.

실시형태에서는, MRI 시스템(2)에 있어서 초전도 코일(6c)을 액체헬륨에 담금으로써 초전도 코일(6c)을 저온으로 유지하는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 초전도 코일과 GM 냉동기의 제2단 냉각스테이지를 직접 열적으로 접촉시킴으로써 초전도 코일을 저온으로 유지해도 된다(도 9 참조). 이 경우, 제어부(58)는 헬륨 내압 대신에 초전도 코일의 온도를 취득하여, 그것을 MRI 시스템의 상태를 나타내는 파라미터의 하나로서 채용해도 된다.

실시형태에서는, MRI 시스템(2)을 예로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 실시형태에 관한 냉각시스템은, 초전도 자석 시스템 등 임의의 초전도 기기에 적용되어도 된다.

도 9는, 실시형태에 관한 냉각시스템을 구비하는 초전도 자석 시스템(600)의 구성을 예시하는 모식도이다. 본 냉각시스템은, 도 1에 예시하는 실시형태와 마찬가지로, GM 냉동기(670), 압축기(10), 및 감시단말(100)을 구비한다. GM 냉동기(670)는, 초전도 자석 시스템(600)을 냉각하기 위하여 마련되어 있다. 압축기(10)는, GM 냉동기(670)와 2개의 플렉시블배관(8, 9)으로 접속되어 있다. 초전도 자석 시스템(600)의 제1 통신포트(6h)와, 압축기(10)의 제2 통신포트(10e)와, 감시단말(100)의 통신포트는 서로 유선 또는 무선의 네트워크를 통하여 접속되어 있다.

초전도 자석 시스템(600)은, 진공용기(651)와, GM 냉동기(670)와, 강자장 공간(661)에 자장을 인가하는 초전도 자석(660)을 가진다. GM 냉동기(670)는, 진공용기(651) 내에 설치된 천판(652)에, 콜드헤드가 늘어뜨려진 상태로 설치된다. GM 냉동기(670)는, 2단식의 GM 냉동기여도 되고, 도 9의 예에서는, GM 냉동기(670)는, 도 1에 나타낸 GM 냉동기(4)와 동일한 구성을 가진다. 따라서, GM 냉동기(670)의 구성의 상세한 설명은, 생략한다.

GM 냉동기(670)의 제1단 냉각스테이지(685)는, 열실드판(653)에 의하여, 초전도 자석(660)의 초전도 코일(655)에 전류를 공급하는 산화물 초전도 전류리드(658)에, 열적 기계적으로 접속되어 있다. GM 냉동기(670)의 제2단 냉각스테이지(695)는, 초전도 코일(655)의 코일 냉각스테이지(654)에, 열적 기계적으로 접속되어 있다. 코일 냉각스테이지(654)는, 초전도 코일(655)에 접촉되어 있으며, 제2단 냉각스테이지(695)로부터의 한랭에 의하여, 초전도 코일(655)은, 초전도 임계온도 이하로 냉각된다.

2: MRI 시스템
4: GM 냉동기
6: 갠트리
10: 압축기
58: 제어부

Claims

가스를 사용하는 냉동기와, 상기 냉동기로부터 되돌아오는 가스를 압축하여 상기 냉동기로 공급하는 압축기를 구비하는 극저온 냉각시스템의 감시방법으로서,
상기 냉동기 또는 상기 압축기 혹은 그 양방의 상태를 나타내는 상이한 복수의 파라미터의 측정치를 취득하는 것과,
취득된 측정치에 소정의 다변량 해석을 실시하는 것을 포함하며,
상기 압축기는,
냉각수 도입포트와 냉각수 배출포트를 구비하며, 상기 가스가 압축될 때에 발생하는 압축열을 냉각수으로 이송하여, 외부로 방출하기 위한 열교환을 실현하는 수냉식 열교환기와,
상기 냉각수 배출포트로부터 유출되는 배출냉각수의 온도를 계측하는 계측 유닛을 가지며,
상기 복수의 파라미터는, 적어도 상기 배출냉각수의 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 감시방법.
제 1 항에 있어서,
상기 다변량 해석의 결과에 근거하여, 유저에게 고장에 관한 경고를 통지해야할지 아닐지를 판정하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감시방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수냉식 열교환기는,
압축열에 의해 고온이 된 오일이 흐르는 오일 냉각배관과 상기 냉각수이 흐르는 냉각수배관과의 사이에서 열교환이 행해지도록 구성된 오일 열교환부와,
상기 오일 냉각배관에 마련된 오일 온도센서를 포함하며,
상기 복수의 파라미터는, 적어도 상기 오일 온도센서의 측청치를 포함하는 것을 특징으로 하는 감시방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 극저온 냉각시스템은 초전도 자석 시스템의 코일을 냉각하기 위하여 사용되고,
상기 복수의 파라미터는, 상기 초전도 자석 시스템의 상태를 나타내는 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 감시방법.
제 4 항에 있어서,
상기 초전도 자석 시스템의 상태를 나타내는 파라미터는, 상기 초전도 자석 시스템의 코일의 둘레의 액체헬륨조의 압력, 상기 코일의 온도, 및 상기 액체헬륨조에 대한 실드의 온도 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 감시방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다변량 해석은 MT(마할라노비스·다구찌) 시스템인 것을 특징으로 하는 감시방법.
가스를 사용하는 냉동기와,
상기 냉동기로부터 되돌아오는 가스를 압축하여 상기 냉동기로 공급하는 압축기와,
제어부를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 냉동기 또는 상기 압축기 혹은 그 양방의 상태를 나타내는 상이한 복수의 파라미터의 측정치를 취득하는 측정치 취득부와,
상기 측정치 취득부에 의하여 취득된 측정치에 소정의 다변량 해석을 실시하는 해석부를 포함하며,
상기 압축기는,
냉각수 도입포트와 냉각수 배출포트를 구비하며, 상기 가스가 압축될 때에 발생하는 압축열을 냉각수으로 이송하여, 외부로 방출하기 위한 열교환을 실현하는 수냉식 열교환기와,
상기 냉각수 배출포트로부터 유출되는 배출냉각수의 온도를 계측하는 계측 유닛을 가지며,
상기 복수의 파라미터는, 적어도 상기 배출냉각수의 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.