(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ電流を通流する超電導マグネットと、前記超電導マグネットを冷却するために配設された極低温冷凍機と、電源（３２）から前記極低温冷凍機へ給電するための電気回路とからなるシステムにおいて、下記のステップを含む方法、即ち、
前記電源の障害を検出するとともに、前記電源の障害の検出に応じて、以下のステップを行なうことにより、想定し得るクエンチに先だって超電導マグネットの順序だったランダウンを確保するステップと、
前記ＤＣ電流を、ＤＣ−ＡＣ変換器（４０）を通じて方向付けるステップと、
前記超電導マグネットを通じて流れる電流の大きさを、制御された勾配率で減少させることにより、前記ＤＣ−ＡＣ変換器から制御された電力を発生させるステップと、
前記制御された電力によって前記極低温冷凍機に給電するステップと、
所要の制御された電力を維持するために勾配率を制御するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
勾配率を制御する前記ステップは、前記マグネットを流れる電流の大きさが減少するにつれて勾配率を増大させることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記極低温冷凍機に給電する前記ステップは、前記マグネットに蓄えられるエネルギーのほぼ全てが前記冷凍機の作動で散逸されるまで継続する請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ＤＣ電流を通流する超電導マグネット（１０）と、前記超電導マグネットを冷却するために配設された極低温冷凍機（２１）と、電源（３２）から前記極低温冷凍機へ給電するための電気回路とからなるシステムにおいて、さらに、
制御された電圧を発生するＤＣ−ＡＣ変換器（４０）と、
前記電源の障害を検出するとともに、前記電源の障害の検出に応じて前記ＤＣ−ＡＣ変換器を作動させるための手段と、
超電導スイッチ（３６）と、
前記超電導スイッチ（３６）を前記ＤＣ−ＡＣ変換器に電気的に接続する接続部と、
を備え、
前記超電導マグネットを通じて流れるＤＣ電流の大きさを制御された比率で勾配をもって減少させるために前記超電導スイッチ（３６）を通じてＤＣ電流を方向付けることができ、それにより、前記超電導スイッチ（３６）の両端間に前記制御された電圧を発生させ、当該制御された電圧を前記極低温冷凍機に給電することにより、その結果、想定し得るクエンチに先だって前記超電導マグネットの順序だったランダウンを確保する、システム。
【請求項５】
前記ＤＣ−ＡＣ変換器は、前記マグネットを流れるＤＣ電流の大きさが減少するにつれて勾配率を増大させるようになっている請求項４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導マグネットに関し、特に、冷凍機への電力供給の障害の場合にマグネットの順序だったランダウン（ｒｕｎ−ｄｏｗｎ）を可能にするために提供される方法および装置に関する。
【０００２】
特に、本発明は、超電導マグネットの磁場内に蓄えられるエネルギーを使用して冷凍機の作動を続けることができるようにし、それにより、マグネットにおける電流の制御されたランダウンを確保するのに十分長い時間にわたって超電導電流リードおよび前述した超電導マグネットをそれらの転移温度未満まで冷却して、クエンチを回避し、クライオスタットの外側で熱を放散する、方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、超電導マグネットは、マグネットをその転移温度未満に維持するクライオスタット内に収容される。これは、以前は、液状極低温冷媒の槽を設けることによって達成されたが、ごく最近の構造は、サーマルリンクを介した極低温冷凍機への伝導によって、真空中のマグネットが冷却される。そのような構成では、マグネットからの電流リードを外部からアクセスできる端子まで設けることが一般的になってきており、電流リードの少なくとも一部は高温超電導体（ＨＴＳ）から形成される。そのような構成では、冷凍機が連続的に作動し続けられなければならない。これは、冷凍が停止した場合に、クライオスタットへの熱漏れが、マグネットの一部および／または電流リードのＨＴＳ部分を、超電導転移温度を超える温度まで急速に加熱するからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、給電の障害の場合には、（一般のように）電気的に電力を供給される冷凍機に伴って問題が生じる。良く知られるように、電流は、印加電圧がない場合であっても、超電導マグネットにおいて流れ続ける。本発明は、マグネットまたは以下でＨＴＳ電流リードと称される場合がある電流リードのＨＴＳ部分でクエンチが始まる前にこの電流を減少させる順序だった方法を追求する。
【０００５】
別の手法は、マグネットの材料の全体にわたって広がるクエンチを意図的に引き起こし、それにより、マグネットの一部が損傷を被るのに十分高い温度まで上げられないようにすることである。しかしながら、この手法は、依然として大きな温度上昇をマグネットに引き起こし、それにより、マグネットが再冷却される間にかなりの中断時間をもたらす。また、クエンチは、マグネットの配線またはコイルの幾らかの移動を引き起こす場合もあり、それにより、時間がかかる再シミング（ｒｅ−ｓｈｉｍｍｉｎｇ）プロセスを行なう必要がある。
国際公開第９９／６２１６４号パンフレットは、公共施設の配管網から引き出される電力の安定性および制御を与えるようになっている超電導エネルギー管理システムを備えるエネルギー管理システムについて記載する。
欧州特許出願公開第０５２１４２４号明細書は、バックアップ電源用のエネルギー蓄積システムを使用する、分路接続される超電導エネルギー安定化システムについて記載する。
国際公開第０１／３９３５６号パンフレットは、ＤＣエネルギー蓄積デバイスとＡＣ負荷との間でエネルギーを伝達するための構成であって、ＤＣ電圧をほぼ一定に維持するために発生されるＡＣ電流の位相角が制御される構成について記載する。
特開２００５−０６５４００号公報は、ＡＣ配電システムからのエネルギーを超電導デバイスに蓄え、その後、負荷に給電するために、蓄えられたエネルギーを超電導デバイスから排出する構成について記載する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲に記載される方法および装置を提供する。即ち、「ＤＣ電流を通流する超電導マグネットと、前記超電導マグネットを冷却するために配設された極低温冷凍機と、電源から前記極低温冷凍機へ給電するための電気回路とからなるシステムにおいて、下記のステップを含む方法、即ち、前記電源の障害を検出するとともに、前記電源の障害の検出に応じて、以下のステップを行なうことにより、想定し得るクエンチに先だって超電導マグネットの順序だったランダウンを確保するステップと、前記ＤＣ電流を、ＤＣ−ＡＣ変換器を通じて方向付けるステップと、前記超電導マグネットを通じて流れる電流の大きさを、制御された勾配率で減少させることにより、前記ＤＣ−ＡＣ変換器から制御された電力を発生させるステップと、前記制御された電力によって前記極低温冷凍機に給電するステップと、所要の制御された電力を維持するために勾配率を制御するステップと、を含む方法を特徴とする。」
また、「ＤＣ電流を通流する超電導マグネットと、前記超電導マグネットを冷却するために配設された極低温冷凍機と、電源から前記極低温冷凍機へ給電するための電気回路とからなるシステムにおいて、さらに、ＤＣ−ＡＣ変換器と、前記電源の障害を検出するとともに、前記電源の障害の検出に応じて前記ＤＣ−ＡＣ変換器を作動させるための手段と、超電導スイッチと、前記超電導スイッチを前記ＤＣ−ＡＣ変換器に電気的に接続する接続部と、を備え、前記超電導マグネットを通じて流れるＤＣ電流の大きさを制御された比率で勾配をもって減少させるために前記超電導スイッチを通じてＤＣ電流を方向付けることができ、それにより、前記超電導スイッチの両端間に制御された電圧を発生させ、その結果、想定し得るクエンチに先だって前記超電導マグネットの順序だったランダウンを確保する、システムを特徴とする。」
【０００７】
本発明の方法および装置は、マグネットの磁場内に蓄えられるエネルギーを冷凍機に給電するために使用されるようにし、それにより、マグネットの電流の順序だったランダウンを可能にするのに十分長い時間にわたってマグネットおよびＨＴＳ電流リードをそれらの転移温度未満に維持する。
【０００８】
本発明の以上のおよび更なる目的、特徴、および、利点は、添付図面と関連する本発明の特定の実施形態の以下の説明から更に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明にしたがって改善された極低温冷却超電導マグネットの概略図を示している。
【図２】超電導スイッチを開くことによってマグネットのランダウンを起こさせるために必要とされる制御器を概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明によれば、極低温冷凍機への電力供給の障害を検出して、エネルギーを、マグネットから、極低温冷凍機に給電するのに有用な形態にエネルギーを変換する変換器へと方向付けるとともに、変換された電力を使用して極低温冷凍機に給電する制御方法および装置が提供される。このようにすると、冷凍機は、マグネットに蓄えられるほぼ全てのエネルギーが散逸されるまで作動し続ける。これは、そのエネルギーが冷凍機自体に給電する際に散逸されるからである。したがって、マグネットまたは電流リードに何らかの害を及ぼす或いは冷凍機の動作が停止した時点でマグネットまたは電流リードのかなりの温度上昇を引き起こす十分なエネルギーがマグネット内に残存しない。
【００１１】
図１は、外側真空チャンバ（ＯＶＣ）１２を備えるクライオスタット内に収容される超電導マグネット１０を概略的に示している。磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）機器では、マグネットおよびＯＶＣがいずれも一般に円筒状であるが、これは図１の概略図から明らかでない。
【００１２】
電流リード１４が、マグネットに電気的に接続されており、ＯＶＣ１２の外側からアクセスできる。これは、一般的にはステンレス鋼であるＯＶＣの材料から電流リード１４を電気的に絶縁させる絶縁ブシュ２０に電流リード１４を通すことによって達成される。ＯＶＣは一般に接地１６され、また、マグネット１０は、通常、アース接続部１８を介してＯＶＣに対して電気的に接地される。極低温冷凍機２１は一般に２つの冷凍ステージを有する。第１の冷凍ステージ２２は一般に５０〜８０Ｋの範囲の温度まで冷却する。第２の冷凍ステージ２４は一般に約４Ｋの温度まで冷却する。完全システムでは、マグネットとＯＶＣとの間に熱輻射シールドが設けられるが、それらは図１に示されていない。これらのシールドのうちの１つが第１のステージ２２に熱的に結合されて約５０Ｋまで冷却され、一方、他のシールドが第２のステージ２４に熱的に結合されて約４Ｋまで冷却される。マグネット１０と第２のステージ２４との間のサーマルリンク２６は、マグネット１０をその超電導転移温度を下回る温度まで冷却することを確保する。冷凍機２１は、ガス流ライン２８に沿って冷凍機に通されて冷凍機から回収されるヘリウムなどの圧縮ガスによって作動される。コンプレッサ３０は、電気幹線または個人的な発電機などの電源３２によって作動される。コンプレッサ３０は、ガスを圧縮してそれを冷凍機２１へ供給する。マグネット電源ユニット３４も、電気幹線または個人的な発電機などの電源３２によって作動される。マグネット電源ユニット３４は、受けられた電力をマグネットへの印加に適した形態へと変換する。例えば、マグネット電源ユニットは、電源３２から４１５Ｖの三相ＡＣ電力を受けて、それを５００Ａ以上の電流容量を有する５ＶのＤＣ電源へと変換する。
【００１３】
アースリンク３３が、アース接続部１８をＯＶＣ１２の本体に対して接続する。アースリンクは、電流リード１４の態様と同様な態様で構成されてもよい。絶縁ブシュ２０は必要とされないが、アース接続部は、ＯＶＣに対して真空気密態様でシールされるとともに、ＯＶＣに対して電気的に接続３３されなければならない。
【００１４】
当該技術分野において良く知られるように、マグネット１０が作動に至らされると、コンプレッサ３０は圧縮ガスを冷凍機２１へ供給しなければならず、冷凍機２１は、マグネットがそれを形成する配線の転移温度を下回るまでマグネット１０を冷却しなければならない。マグネットの温度がこの状態で安定されると、電流が電源ユニット３４から供給される。これは、例えば１０Ａ／分の割合で供給電流の大きさを引き上げることよって徐々に漸進的に行なわれる。この手続き中、回路の任意の抵抗部分で、例えば電流リード１４でかなりの熱量が発生される。アース接続部１８、および、電流リード１４の少なくとも一部は、発生される熱量を減少させる超電導配線または高温超電導（ＨＴＳ）配線を含む。
【００１５】
マグネットに所要の電流が流れてマグネットがその作動状態になると、超電導スイッチ３６を閉じることができ、また、電源ユニット３４を通じて流れる電流がゼロまで勾配をもって徐々に減少される。その後、マグネットの電流は、超電導スイッチ３６を通じて、閉じられた超電導回路内へ流れ、電流リード１４を通じて電流が流れない。
【００１６】
この通常の作動モードにおいて、コンプレッサ３０および冷凍機２１は、ＯＶＣ１２内に流入する熱がマグネットをその転移温度を超えるまで加熱してクエンチを引き起こさないように、電源３２および電源ユニット３４によって給電されて作動し続けなければならない。コンプレッサ３０および冷凍機２１が作動し続ければ、マグネットは長期間にわたってこの状態を保つことができ、それにより、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）などの用途で用いる磁場が発生される。
【００１７】
何らかの理由によって電源３２が機能しなくなれば、冷凍機２１はマグネットの冷却を停止する。ＯＶＣを通じて流入する熱がマグネットおよびＨＴＳ電流リードの温度を上昇させる。一般に、この熱上昇は、冷凍機が作動を停止した約１０分後にマグネットのクエンチ点に達する。
【００１８】
本発明は、電源３２の障害から、クエンチを引き起こすのに十分高い温度にマグネットが達するまでの時間を延ばすとともに、マグネットがクエンチを引き起こすのに十分高い温度に達するときにマグネットに残存する電流が殆ど無くなる或いはゼロとなるようにマグネット内の電流を勾配をもって減少させることを目的とする。
【００１９】
本発明は、マグネットに蓄えられるエネルギーを冷凍機２１の作動のために必要なエネルギーへと変換するための方法および装置を提供することによって、これらの要件の両方に対処する。このようにすると、冷凍機がより長い時間にわたって作動し続け、マグネットに蓄えられるエネルギーが漸進的に散逸される。マグネットに残存するエネルギーが冷凍機を給電し続けるのに十分でないと、冷凍機が作動を停止し、マグネットはクエンチが生じるまで熱くなる。しかしながら、このとき、マグネットにはエネルギーが殆ど残っておらず、そのため、クエンチがマグネットに何ら損傷を与えるはずがなく、また、クエンチがマグネット内で大きな温度上昇を引き起こすはずもない。
【００２０】
その後、マグネットはこの状態を保つ。すなわち、電源３２が回復されるまで、電流が流れず、超電導の転移温度を上回らない。
【００２１】
電源３２が回復されると、コンプレッサ３０が再び圧縮ガスを冷凍機へ供給し、冷凍機はマグネットをその元の作動温度まで冷却し始め、前述した作動が再開できる。
【００２２】
この発明の課題は、マグネットに蓄えられるエネルギーをコンプレッサ３０に給電するのに適した形態へと変換して冷凍機２１を作動させ続けることである。マグネットに蓄えられるエネルギーは、マグネットによって生み出される磁場に蓄えられる。この磁場は、コイルの大きなインダクタンスＬと共に、コイルを通じて流れる電流の任意の変化に抵抗する。良く知られるように、電流の任意の変化は、電流の変化率に比例する電圧を伴う。すなわち、Ｖ＝Ｌ・ｄＩ／ｄｔとなる。しかしながら、超電導マグネットでは、任意の巻回部の両端間の電圧は必然的にゼロであり、そのため、ｄＩ／ｄｔもゼロとなる。
【００２３】
通常の作動では、電流がマグネット１０および超電導スイッチ３６を通じて流れる。マグネット監視システム３７が、電源３２からの電力の損失を検出するために、また、マグネットのランダウンを起こさせる超電導スイッチ３６を開くために使用される。マグネット監視コントローラ３７によって電源３２の障害が検出される場合には、コントローラが超電導スイッチ３６を開き、その結果、マグネットを流れる電流が、電流リード１４、ＯＶＣ１２、および、アース接続部１８を通じて、電源ユニット３４へと流れる。したがって、電源ユニット３４は、マグネットからＤＣ電流を受ける。電源ユニット３４およびコントローラ３７は、マグネットにより供給されるＤＣ電流をコンプレッサ３０への供給に適した形態へと変換するために、それ自体知られるＤＣ−ＡＣ変換器４０を含む。他の実施形態では、コンプレッサ３０により必要とされる電源のタイプにしたがって異なる変換器が設けられてもよい。Ｖ＝Ｌ・ｄＩ／ｄｔにしたがい、マグネットにおける電流の減少率に応じて、電源ユニット３４および電流経路１４，１２，１８の抵抗部分にわたって電圧が発生される。マグネットにおける電流の適した減少率を選択することにより、コンプレッサ３０を作動させるための適切な比較的安定した電力を得ることができる。
【００２４】
マグネットに蓄えられるエネルギー量はＩ2に比例し、そのため、１分間にわたってマグネット内を流れる電流をＩ1からＩ2まで減少させる際にマグネットから引き出されるエネルギーの量は（Ｉ12−Ｉ22）に比例し、また、そうすることにより得られる平均電力は（Ｉ12−Ｉ22）／６０ワットに比例する。マグネットから出力される電力を一定に維持するために、マグネットにおける電流の減少率は、電流の大きさが減少するにつれて増大されなければならない。
【００２５】
一例において、コンプレッサ３０は、冷凍機２１を作動させるために６ｋＷの電力を必要とする。変換効率が７５％であるとすると、このことは、冷凍機に給電するためにエネルギーがマグネットから８ｋＷの割合で除去されなければならないことを意味する。電源３２の障害が検出されるときに５００Ａの電流で作動する３Ｔマグネットの例では、マグネットの電流が４００Ａに達するまでの−１０Ａ／分の勾配率が、１０分間にわたって８ｋＷの所要平均電力を与える。しかしながら、２００Ａ〜１００Ａのマグネット電流において、３．３３分間にわたって８ｋＷの電力を解放し続けるためには、−３０Ａ／分の勾配率が必要とされる。勿論、コントローラ４０は、一般に、コンプレッサ３０へ供給される電力を比較的一定に維持するために、これよりも頻繁に勾配率を調整する。
【００２６】
そのような例の３Ｔマグネットは、作動時に約１２ＭＪのエネルギーを蓄える。本発明の装置がマグネットから一定の８ｋＷを引き出すために勾配率を完全に制御すると仮定すると、それらの１２ＭＪは、１２００００００／８０００＝１５００秒間すなわち２５分間にわたってコンプレッサ３０を稼働させ続ける。実際には、不完全な勾配率制御がこの時間を減少させるかもしれない。
【００２７】
多くのＭＲＩマグネットでは、定電力作動が、実際に、マグネット電流リードにわたって接続されるダイオードによっても制限される。これらのダイオードは、電流リードの両端間の電圧を制限し、したがって、マグネットの最大勾配率を制限する。
【００２８】
したがって、理想的な例では、最大２５分間にわたる電力の中断にもかかわらず、冷凍機２１が作動し続けられる。その時間中に電力が回復されれば、コンプレッサが作動し続け、また、マグネット電流が、マグネットを再冷却するために中断を何ら伴わずに元の作動電流に至るまで勾配をもって引き上げられる。電力の中断が２５分よりも幾分長い時間にわたって持続する場合には、マグネットを作動温度まで再冷却するために要する時間が適切な時間だけ減少される。電力の中断が２５分よりもかなり長い時間にわたって持続する場合には、マグネットの再冷却が従来の構成と同じだけの長さを要する場合があるが、本発明は、マグネットの制御されたランダウンを行なって、さもなければクエンチによって引き起こされたかもしれないマグネットの任意の想定し得る加熱を回避している。
【００２９】
本発明の特定の実施形態では、電流リード１４が高温超電導体（ＨＴＳ）部分を備える。これは、電流リード１４のＨＴＳ部分の熱漏れが低いため、主に持続性モード作動中に冷凍機に作用する熱負荷を減らすようになっている。一般に、リードのＨＴＳ部分は、冷凍機の第１のステージ２２と第２のステージ２４との間でのみ延び、この場合、一般に真鍮が冷凍機の第１のステージの上側で使用され、マグネットの超電導材料が第２のステージの下側で使用される。ＨＴＳ部分は、真鍮部分よりも大きい熱抵抗を有するようになっており、そのため、電流リード１４の材料を通じた熱流入量を制限する。
【００３０】
図２は、前述した制御回路の更なる細部を電気回路図として示している。マグネットコイル１０が超電導スイッチ３６によってバイパスされる。超電導スイッチ３６がマグネット監視コントローラ３７によって制御される。マグネット監視コントローラは、電源３２の障害を検出するために、マグネット電源３４およびＤＣ−ＡＣ変換器４０に接続される。マグネット電源３４は、接地１６されて、電源３２から電力を受けるとともに、マグネット１０の一方側へＤＣ出力４２をもたらす。マグネット１０の他方側は接地１６される。
【００３１】
マグネットの任意の勾配をもった減少では、特に冷凍機が不作動の場合に、電流リードを通じて流れる電流によってＨＴＳ部分がその転移温度を超えて熱くなって抵抗になるという危険がある。ＨＴＳ部分が抵抗になると、多量の熱がＨＴＳ電流リードで散逸され、ＨＴＳ電流リードが熱により損傷される場合がある。
【００３２】
マグネットの熱慣性は、マグネットコイルの超電導配線を特定の時間にわたって転移温度を下回る温度に維持する。良く知られるように、材料は、極低温で低い熱容量を有し、また、一例では、電力損失とマグネットクエンチとの間のこの期間が１０分程度であると推定される。１０分のこの例では、銅の比熱が０．２Ｊ／ｋｇ／Ｋ、銅のマグネット質量が３０００ｋｇ、許容マグネットコイル温度上昇が０．５Ｋ、および、４Ｋ質量への入熱が０．５Ｗであると仮定する。超電導配線が転移温度を超えると、マグネットがクエンチする。
【００３３】
この時間内にマグネットの電流を勾配をもって完全に減少させるためには−５０Ａ／分の勾配率が必要であるが、これは、超電導コイルが急速に勾配付けられるときに超電導コイルで高い熱負荷が生じてクエンチが引き起こされ得るため、許容できない虞がある。
【００３４】
マグネットに最も近いＨＴＳ電流リードの端部は、マグネットの熱慣性によってある程度まで冷却される。しかしながら、前述したように、マグネットは、マグネットがクエンチするまでそれを超電導に維持するのに十分な冷却をＨＴＳ電流リードに与えるにすぎない。
【００３５】
本発明は、一方では、電力供給の中断後の勾配を伴う減少ステップ中に冷凍機が作動し続けることができるようにして、マグネットを勾配をもってゼロまで減少させるのに十分長く超電導マグネットおよびＨＴＳ電流リードが超電導のままとどまるようにする。前述した例では、マグネットに蓄えられるエネルギーが、電力供給の中断の開始後２５分間にわたって冷凍機を作動させ続けることができ、その後の更に１０分間にわたって、マグネットの熱慣性が、超電導マグネットおよびＨＴＳ電流リードを超電導に維持する。したがって、超電導マグネットおよびＨＴＳ電流リードは、電力供給の中断後のマグネットの順序だったランダウンを許容するために十分な時間にわたって超電導状態に維持される。
【符号の説明】
【００３６】
１０  超電導マグネット
１２  外側真空チャンバ（ＯＶＣ）
１４  電流リード
１６  接地
１８  アース接続部
２０  絶縁ブシュ
２１  極低温冷凍機
２２  第１の冷凍ステージ
２４  第２の冷凍ステージ
２６  サーマルリンク
３０  コンプレッサ
３２  電源
３３  アースリンク
３４  マグネット電源ユニット
３６  超電導スイッチ
３７  マグネット監視システム（マグネット監視コントローラ）
４０  コントローラ
【図１】
0005931181.tif 000002
【図２】
0005931181.tif 000003