(57)【要約】【課題】真空容器の規格ごとの設計が不要で、かつ、超電導マグネット装置の停止時間を低減可能な冷却装置及びこの冷却装置を備える超電導マグネットシステムを提供すること。【解決手段】超電導コイルと、超電導コイルを冷却するための液体ヘリウムを収容するヘリウム槽と、ヘリウム槽の周囲に配置されており液体窒素を収容する窒素槽と、ヘリウム槽及び窒素槽を収容する真空容器（１８）と、を備える超電導マグネット装置（１）を冷却する冷却装置（２）であって、真空容器（１８）の外周面に熱的に接触した状態で当該真空容器（１８）を冷却する冷却ユニット（２０）と、真空容器（１８）を収容する収容容器（６０）と、を備えること。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、前記超電導コイルを冷却するための液体ヘリウムを収容するヘリウム槽と、前記ヘリウム槽の周囲に配置されており液体窒素を収容する窒素槽と、前記ヘリウム槽及び前記窒素槽を収容する真空容器と、を備える超電導マグネット装置を冷却する冷却装置であって、
前記真空容器の外周面に熱的に接触した状態で当該真空容器を冷却する冷却ユニットと、
前記真空容器を収容する収容容器と、を備える、冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置において、
前記冷却ユニットは、
前記真空容器から離間した位置に配置されておりマイナス７０℃よりも低い沸点を有する冷却媒体を収容するタンクと、
前記真空容器の外周面に熱的に接触するように当該真空容器に取り付けられた熱交換流路であって、当該熱交換流路内を流れる冷却媒体と前記真空容器とを熱交換させることによって前記真空容器を冷却するものと、
前記タンク内の前記冷却媒体を前記熱交換配管に供給するための供給流路と、を有する、冷却装置。
【請求項３】
請求項２に記載の冷却装置において、
前記冷却ユニットは、前記真空容器の温度が所定範囲になるように前記タンクから前記熱交換流路への前記冷却媒体の供給量を制御する制御部をさらに有する、冷却装置。
【請求項４】
請求項３に記載の冷却装置において、
前記制御部は、
前記タンク内の液相の冷却媒体を前記熱交換流路へ送る送液部と、
前記真空容器の温度が前記所定範囲になるように前記送液部を制御するコントローラと、を有する、冷却装置。
【請求項５】
請求項２に記載の冷却装置において、
前記冷却ユニットは、
前記熱交換流路から流出した冷却媒体を前記タンクに戻す戻し流路と、
前記タンク内に存在する気相の冷却媒体を凝縮させる再凝縮機と、をさらに有する、冷却装置。
【請求項６】
請求項５に記載の冷却装置において、
前記冷却ユニットは、前記真空容器の温度が所定範囲になるように前記タンクから前記熱交換流路への前記冷却媒体の供給量を制御する制御部をさらに有する、冷却装置。
【請求項７】
請求項６に記載の冷却装置において、
前記制御部は、前記真空容器の温度と相関を有する前記タンク内の圧力が規定範囲になるように前記再凝縮機の駆動及び停止を制御するコントローラを有する、冷却装置。
【請求項８】
請求項１に記載の冷却装置において、
前記冷却ユニットは、前記真空容器を冷却可能な冷却部を含む冷凍機を有し、
前記収容容器は、前記冷却部が前記真空容器の外周面に対して熱的に接触する状態で前記冷凍機を保持する保持部を有する、冷却装置。
【請求項９】
超電導コイルと、
前記超電導コイルを冷却するための液体ヘリウムを収容するヘリウム槽と、
前記ヘリウム槽の周囲に配置されており液体窒素を収容する窒素槽と、
前記ヘリウム槽及び前記窒素槽を収容する真空容器と、
前記真空容器を冷却する冷却装置であって、請求項１ないし６のいずれかに記載のものと、を備える、超電導マグネットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導マグネット装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＮＭＲ（核磁気共鳴）装置、ＥＳＲ（電子スピン共鳴）装置、ＭＲＩ（核磁気共鳴イメージング）装置、物理研究用超電導マグネット等の理化学機器に用いられる超電導マグネット装置が知られている。この超電導マグネット装置は、超電導コイルを超電導状態で使用することによって均一度の高い磁場を生じさせる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、超電導コイルと、超伝導コイルを冷却するための液体ヘリウムを収納するヘリウム槽と、ヘリウム槽の周囲に配置されており液体窒素を収容する窒素槽と、ヘリウム槽及び窒素槽を収容する真空容器と、を備える理化学機器用超電導マグネット装置が開示されている。
【０００４】
このような装置では、真空容器から窒素槽に伝わる輻射熱に起因して窒素槽内の液体窒素が蒸発すると、液体ヘリウム槽にも熱が侵入する。この問題を解消するため、窒素槽に頻繁に液体窒素を補充することが求められる。しかし、窒素槽への液体窒素の補充中は、真空容器が振動するため、装置を停止する必要がある。この点に関し、特許文献１では、窒素槽において蒸発した窒素を再液化させて窒素槽に戻す再液化装置を用いることによって窒素槽への液体窒素の補充頻度を低減させ、これにより装置の停止期間を短縮させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−６３７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されるような超電導マグネット装置では、真空容器には種々の規格が存在するため、その規格ごとに再液化装置の設計が必要となる。
【０００７】
本発明の目的は、真空容器の規格ごとの設計が不要で、かつ、超電導マグネット装置の停止時間を低減可能な冷却装置及びこの冷却装置を備える超電導マグネットシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決する手段として、本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイルを冷却するための液体ヘリウムを収容するヘリウム槽と、前記ヘリウム槽の周囲に配置されており液体窒素を収容する窒素槽と、前記ヘリウム槽及び前記窒素槽を収容する真空容器と、を備える超電導マグネット装置を冷却する冷却装置であって、前記真空容器の外周面に熱的に接触した状態で当該真空容器を冷却する冷却ユニットと、前記真空容器を収容する収容容器と、を備える、冷却装置を提供する。
【０００９】
本冷却装置では、冷却ユニットが真空容器の外周面に熱的に接触した状態でこの真空容器を冷却し、しかも、収容容器が真空容器を収容している（外部から真空容器への熱の侵入を抑制している）ので、真空容器から窒素槽への輻射熱の伝達が抑制される。よって、窒素槽における液体窒素の蒸発が抑制され、これにより、窒素槽への液体窒素の補充頻度が低減される。したがって、超電導マグネット装置の停止時間が短縮される。
【００１０】
具体的に、前記冷却ユニットは、前記真空容器から離間した位置に配置されておりマイナス７０℃よりも低い沸点を有する冷却媒体を収容するタンクと、前記真空容器の外周面に熱的に接触するように当該真空容器に取り付けられた熱交換流路であって、当該熱交換流路内を流れる冷却媒体と前記真空容器とを熱交換させることによって前記真空容器を冷却するものと、前記タンク内の前記冷却媒体を前記熱交換配管に供給するための供給流路と、を有することが好ましい。
【００１１】
このようにすれば、タンクから供給流路を通じて熱交換流路に供給される冷却媒体（液体窒素等）によって有効に真空容器が冷却される。また、タンクへの冷却媒体の補充が必要となった場合であっても、タンクは真空容器から離間した位置に配置されているので、タンクへの冷却媒体の補充中に生じるタンクの振動が真空容器に伝わることが抑制される。よって、タンクへの冷却媒体の補充中における超電導マグネット装置の駆動の継続が可能となる。
【００１２】
この場合において、前記冷却ユニットは、前記真空容器の温度が所定範囲になるように前記タンクから前記熱交換流路への前記冷却媒体の供給量を制御する制御部をさらに有することが好ましい。
【００１３】
このようにすれば、真空容器の温度が所定範囲に維持されるので、真空容器から窒素槽への輻射熱の伝達がより確実に抑制される。
【００１４】
例えば、前記制御部は、前記タンク内の液相の冷却媒体を前記熱交換流路へ送る送液部と、前記真空容器の温度が前記所定範囲になるように前記送液部を制御するコントローラと、を有していてもよい。
【００１５】
この態様では、送液部の制御によって有効に真空容器の温度が所定範囲に維持される。
【００１６】
また、前記冷却ユニットは、前記熱交換流路から流出した冷却媒体を前記タンクに戻す戻し流路と、前記タンク内に存在する気相の冷却媒体を凝縮させる再凝縮機と、をさらに有することが好ましい。
【００１７】
このようにすれば、熱交換流路を通過する過程で真空容器を冷却することによって気化した冷却媒体が、戻し流路を通じてタンク内に戻り、タンク内で再凝縮する。つまり、冷却媒体が供給流路、熱交換流路、戻し流路及びタンクを循環するので、タンクへの冷却媒体の補充の頻度が低減される。
【００１８】
この場合において、前記制御部は、前記真空容器の温度と相関を有する前記タンク内の圧力が規定範囲になるように前記再凝縮機の駆動及び停止を制御するコントローラを有していてもよい。
【００１９】
この態様においても、有効に真空容器の温度が所定範囲に維持される。例えば、再凝縮機の駆動によってタンク内の圧力が低下すると、タンクから熱交換流路への液相の冷却媒体の供給量、つまり、真空容器の冷却量が減少するため、真空容器の温度は上昇する。逆に、再凝縮機の停止によってタンク内の圧力が上昇すると、タンクから熱交換流路への液相の冷却媒体の供給量が増大するため、真空容器の温度は低下する。このように、タンク内の圧力は、真空容器の温度と相関を有する。すなわち、真空容器の温度が前記所定範囲に維持されるには、タンク内の圧力は、真空容器の温度が前記所定範囲の上限値となるときのタンク内の圧力を下限値とし、真空容器の温度が前記所定範囲の下限値となるときのタンク内の圧力を上限値とする規定範囲内に維持されればよい。よって、コントローラがタンク内の圧力が規定範囲になるように再凝縮機の駆動及び停止を制御することにより、真空容器の温度が所定範囲に維持される。
【００２０】
また、前記冷却装置において、前記冷却ユニットは、前記真空容器を冷却可能な冷却部を含む冷凍機を有し、前記収容容器は、前記冷却部が前記真空容器の外周面に対して熱的に接触する状態で前記冷凍機を保持する保持部を有していてもよい。
【００２１】
この態様では、冷凍機の冷却部によって真空容器が冷却されるので、真空容器から窒素槽への輻射熱の伝達が抑制される。
【００２２】
また、本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイルを冷却するための液体ヘリウムを収容するヘリウム槽と、前記ヘリウム槽の周囲に配置されており液体窒素を収容する窒素槽と、前記ヘリウム槽及び前記窒素槽を収容する真空容器と、前記冷却装置と、を備える、超電導マグネットシステムを提供する。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明によれば、真空容器の規格ごとの設計が不要で、かつ、超電導マグネット装置の停止時間を低減可能な冷却装置及びこの冷却装置を備える超電導マグネットシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態の超電導マグネットシステムの構成の概略を示す図である。
【図２】超電導マグネット装置の断面の概略図である。
【図３】本発明の第２実施形態の超電導マグネットシステムの構成の概略を示す図である。
【図４】本発明の第３実施形態の超電導マグネットシステムの構成の概略を示す図である。
【図５】図４に示される超電導マグネットシステムの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の超電導マグネットシステムについて、図１及び図２を参照しながら説明する。本超電導マグネットシステムは、超電導マグネット装置１と、冷却装置２と、を備えている。
【００２７】
超電導マグネット装置１は、図２に示されるように、超電導コイル１２と、ヘリウム槽１４と、窒素槽１６と、真空容器１８と、を有する。ヘリウム槽１４は、超電導コイル１２を冷却するための液体ヘリウムを収容する。窒素槽１６は、ヘリウム槽１４の周囲に配置されており、液体窒素を収容する。真空容器１８は、ヘリウム槽１４及び窒素槽１６を収容する。真空容器１８は、円筒状に形成されている。真空容器１８内は、真空に保たれる。
【００２８】
冷却装置２は、超電導マグネット装置１の真空容器１８を冷却する装置である。具体的に、冷却装置２は、冷却ユニット２０と、収容容器６０と、を有している。
【００２９】
本実施形態では、冷却ユニット２０は、タンク２２と、熱交換流路２４と、供給流路２６と、制御部３０と、を有している。
【００３０】
タンク２２は、マイナス７０℃よりも低い沸点を有する冷却媒体（本実施形態では液体窒素）を収容している。タンク２２は、真空容器１８から離間した位置に配置されている。このタンク２２は、ケーシング２３に覆われている。ケーシング２３は、タンク２２への熱の侵入を抑制する。
【００３１】
なお、冷却媒体は、以下の観点で選定される。すなわち、真空容器１８への入熱量と冷却媒体の補充頻度とは反比例の関係になるため、冷却媒体の補充頻度を従来の５分の１以下に低減することを目安とする場合、真空容器１８内部への入熱を２０％程度以下とする必要がある。この場合、使用する冷却媒体の沸点は、マイナス７０℃よりも低い必要がある。このような冷却媒体として、例えば炭酸ガスが挙げられる。さらには、冷却媒体として、空気の沸点（およそマイナス２００℃）よりも低い沸点を有するものが用いられることがより望ましい。
【００３２】
熱交換流路２４は、真空容器１８に熱的に接触するように当該真空容器１８に巻き付けられている。熱交換流路２４は、銅やアルミニウムからなり筒状に形成されている。熱交換流路２４は、当該熱交換流路２４内を流れる冷却媒体と真空容器１８とを熱交換させることによって真空容器１８を冷却する。
【００３３】
供給流路２６は、タンク２２内の液相の冷却媒体（本実施形態では液体窒素）を熱交換流路２４に供給するための流路である。具体的に、供給流路２６の上流側の端部は、タンク２２内の下部（液相の冷却媒体に浸る位置）に設けられており、供給流路２６の下流側の端部は、熱交換流路２４の上流側の端部に接続されている。なお、熱交換流路２４の下流側の端部は、大気解放されている。
【００３４】
制御部３０は、真空容器１８の温度が所定範囲になるようにタンク２２から熱交換流路２４への液相の冷却媒体の供給量を制御する。本実施形態では、制御部３０は、送液部３２と、コントローラ３４と、を有する。
【００３５】
送液部３２は、タンク２２内の液相の冷却媒体を熱交換流路２４へ送る。本実施形態では、送液部３２として、電流値の増減に応じて発熱量が増減するヒータが用いられている。送液部３２は、タンク２２の底部に配置されている。
【００３６】
コントローラ３４は、真空容器１８の温度が前記所定範囲になるように送液部（ヒータ）３２へ供給する電流値を制御する。例えば、真空容器１８の温度が前記所定範囲の上限値を超えると、コントローラ３４は、送液部３２へ流す電流値を増大させる。これによりヒータの発熱量が増大すると、タンク２２内の液相の冷却媒体が蒸発することによってタンク２２内の圧力が上昇するので、タンク２２から熱交換流路２４への液相の冷却媒体の供給量が増大する。その結果、真空容器１８の温度が低下する。逆に、真空容器１８の温度が前記所定範囲の下限値未満になると、コントローラ３４は、送液部３２へ流す電流値を減少させる。その結果、タンク２２から熱交換流路２４への液相の冷却媒体の供給量が減少する。なお、真空容器１８の温度は、真空容器１８に設けられた温度センサ３５によって検出される。
【００３７】
収容容器６０は、真空容器１８及びこの真空容器１８に取り付けられた熱交換流路２４を収容する。収容容器６０は、発泡ウレタン、グラスウール、真空断熱材等からなる。
【００３８】
以上に説明した超電導マグネットシステムでは、冷却装置２が真空容器１８に熱的に接触した状態でこの真空容器１８を冷却し、しかも、収容容器６０が真空容器１８を収容している（外部から真空容器１８への熱の侵入を抑制している）ので、真空容器１８から窒素槽１６への輻射熱の伝達が抑制される。よって、窒素槽１６における液体窒素の蒸発が抑制され、これにより、窒素槽１６への液体窒素の補充頻度が低減される。したがって、超電導マグネット装置１の停止時間が短縮される。
【００３９】
また、冷却ユニット２０は、タンク２２と、熱交換流路２４と、供給流路２６と、を有するので、タンク２２から供給流路２６を通じて熱交換流路２４に供給される冷却媒体（液体窒素）によって有効に真空容器１８が冷却される。さらに、タンク２２への冷却媒体の補充が必要となった場合であっても、タンク２２は真空容器１８から離間した位置に配置されているので、タンク２２への冷却媒体の補充中に生じるタンク２２の振動が真空容器１８に伝わることが抑制される。よって、タンク２２への冷却媒体の補充中における超電導マグネット装置１の駆動の継続が可能となる。加えて、収容容器６０は、熱交換流路２４を収容しているので、熱交換流路２４の冷熱の空気中への放散が抑制される。
【００４０】
さらに、制御部３０は、真空容器１８の温度が所定範囲になるようにタンク２２から熱交換流路２４への冷却媒体の供給量、つまり、送液部（ヒータ）３２への通電量を制御するので、真空容器１８から窒素槽１６への輻射熱の伝達がより確実に抑制される。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、図３を参照しながら、本発明の第２実施形態の超電導マグネットシステムについて説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ工程、作用及び効果の説明は省略する。
【００４２】
本実施形態の超電導マグネットシステムでは、冷却ユニット２０は、戻し流路４０と、再凝縮機４２と、をさらに有している。
【００４３】
戻し流路４０は、熱交換流路２４から流出した冷却媒体をタンク２２に戻す流路である。具体的に、戻し流路４０の上流側の端部は、熱交換流路２４の下流側の端部に接続されている。戻し流路４０の下流側の端部は、タンク２２内の上部（気相の冷却媒体が存在する領域）に配置されている。
【００４４】
再凝縮機４２は、タンク２２内に存在する気相の冷却媒体（本実施形態では窒素ガス）を凝縮させる。具体的に、再凝縮機４２は、ケーシング２３に接続される本体４２ａと、タンク２２内に配置されるフィン４２ｂと、を有する。フィン４２ｂは、タンク２２内に存在する気相の冷却媒体を冷却することによって当該冷却媒体を凝縮させる。
【００４５】
ここで、タンク２２内の圧力は、真空容器１８の温度と相関がある。例えば、再凝縮機４２の駆動によってタンク２２内の圧力が低下すると、タンク２２から熱交換流路２４への液相の冷却媒体の供給量、つまり、真空容器１８の冷却量が減少するため、真空容器１８の温度は上昇する。逆に、再凝縮機４２の停止によってタンク２２内の圧力が上昇すると、タンク２２から熱交換流路２４への液相の冷却媒体の供給量が増大するため、真空容器１８の温度は低下する。
【００４６】
すなわち、真空容器１８の温度が前記所定範囲に維持されるには、タンク２２内の圧力は、真空容器１８の温度が前記所定範囲の上限値となるときのタンク２２内の圧力を下限値とし、真空容器１８の温度が前記所定範囲の下限値となるときのタンク２２内の圧力を上限値とする規定範囲内に維持されればよい。
【００４７】
そこで、本実施形態の制御部３０のコントローラ４４は、真空容器１８の温度と相関を有するタンク２２内の圧力が前記規定範囲内に収まるように再凝縮機４２の駆動及び停止を制御する。具体的に、コントローラ４４は、タンク２２内の圧力が前記規定範囲の上限値を超えたときに再凝縮機４２を停止する一方、タンク２２内の圧力が前記規定範囲の下限値未満になったときに再凝縮機４２を駆動する。なお、タンク２２内の圧力は、タンク２２に設けられた圧力センサ４５によって検出される。
【００４８】
以上に説明したように、本実施形態においても、真空容器１８の温度が前記所定範囲に維持される。
【００４９】
また、本実施形態では、熱交換流路２４において真空容器１８を冷却することによって気化した冷却媒体が戻し流路４０を通じてタンク２２内に戻り、タンク２２内で再凝縮する。つまり、冷却媒体が供給流路２６、熱交換流路２４、戻し流路４０及びタンク２２を循環するので、タンク２２への冷却媒体の補充の頻度が低減される。
【００５０】
（第３実施形態）
次に、図４及び図５を参照しながら、本発明の第３実施形態の超電導マグネットシステムについて説明する。なお、第３実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ工程、作用及び効果の説明は省略する。
【００５１】
本実施形態の冷却ユニット２０は、冷凍機５０と、伝熱部材５２と、を有している。
【００５２】
図５に示されるように、冷凍機５０は、真空容器１８を冷却可能な冷却部５１を含む。冷却部５１の先端は、平坦に形成されている。冷凍機５０は、真空容器１８の温度を前記所定範囲に維持することが可能な冷凍能力を有している。
【００５３】
伝熱部材５２は、銅やアルミニウムからなる。伝熱部材５２は、冷却部５１の面積よりも大きな面積を有している。伝熱部材５２の外側面は、冷却部５１の先端に沿うように平坦に形成されている。伝熱部材５２の内側面は、真空容器１８の外周面に沿うように湾曲する形状を有している。
【００５４】
収容容器６０は、伝熱部材５２を介して冷却部５１が真空容器１８の外周面に熱的に接触する状態で冷凍機５０を保持する保持部６２を有している。保持部６２は、冷凍機５０が収容容器６０を貫通した状態で当該冷凍機５０を保持する。
【００５５】
この態様では、冷凍機５０の冷却部５１によって真空容器１８が冷却されるので、真空容器１８から窒素槽１６への輻射熱の伝達が抑制される。
【００５６】
また、本実施形態では、冷凍機５０として、真空容器１８の温度を前記所定範囲に維持することが可能な冷凍能力を有するものが選定されることにより、当該冷凍機５０の駆動が継続されることによって真空容器１８の温度が前記所定範囲内に維持される。このため、第１実施形態及び第２実施形態のタンク２２や、熱交換流路２４や、制御部３０の省略が可能となる。
【００５７】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００５８】
例えば、第１実施形態及び第２実施形態において、送液部３２は、タンク２２内の液相の冷却媒体を熱交換流路２４に供給可能なポンプであってもよい。この場合、ポンプは、供給流路２６に設けられる。また、コントローラ３４は、真空容器１８の温度が所定範囲になるようにポンプの回転数を調整する。
【００５９】
また、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、コントローラ４４は、真空容器１８に設けられた温度センサの検出値に基づいて再凝縮機４２を制御してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１    超電導マグネット装置
２    冷却ユニット
１２    超電導コイル
１４    ヘリウム槽
１６    窒素槽
１８    真空容器
２０    冷却ユニット
２２    タンク
２４    熱交換流路
２６    供給流路
３０    制御部
３２    ヒータ（送液部）
３４    コントローラ
４０    戻し流路
４２    再凝縮機
４４    コントローラ
５０    冷凍機
５１    冷却部
５２    伝熱部材
６０    収容容器
６２    保持部
【図１】
2018186187.tif 000003
【図２】
2018186187.tif 000004
【図３】
2018186187.tif 000005
【図４】
2018186187.tif 000006
【図５】
2018186187.tif 000007