(57)【要約】【課題】超電導コイルが超電導状態となるまで当該超電導コイルを冷却するのに要する予冷時間を短縮することが可能な超電導マグネット装置を提供すること。【解決手段】超電導マグネット装置（１）であって、超電導コイル（１０）と、真空容器（１４）と、第１冷却ステージ（２１）、第２冷却ステージ（２２）及び取付部（２３）を含む冷凍機（２０）と、第１熱交換部（３１）、第２熱交換部（３２）及び第３熱交換部（３３）を含む作動媒体流路（３０）と、第１冷却ステージ（２１）で冷却された後の作動媒体と超電導コイル（１０）を冷却した後の作動媒体とを熱交換させる熱交換器（４１）と、作動媒体流路（３０）のうち第３熱交換部（３３）と熱交換器（４１）との間の部位から真空容器（１０）外に気相の作動媒体を導出させるための熱交換器回避流路（５４）と、を備えること。【選択図】図１
2018085444.tif 000002
【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収容する真空容器と、
第１冷却ステージと、前記第１冷却ステージが到達可能な温度よりも低い温度に到達することが可能な第２冷却ステージと、前記第１冷却ステージ及び前記第２冷却ステージが前記真空容器内に位置する状態で前記真空容器に取り付けられる取付部と、を含む冷凍機と、
前記第１冷却ステージに熱的に接触する第１熱交換部、前記第２冷却ステージに熱的に接触する第２熱交換部及び前記超電導コイルに熱的に接触する第３熱交換部を含み、前記第１熱交換部、前記第２熱交換部及び前記第３熱交換部の順に気相の作動媒体を流すための作動媒体流路と、
前記第１冷却ステージで冷却された後の作動媒体と、前記超電導コイルを冷却した後の作動媒体と、を熱交換させる熱交換器と、
前記作動媒体流路のうち前記第３熱交換部と前記熱交換器との間の部位から前記真空容器外に前記気相の作動媒体を導出させるための熱交換器回避流路と、を備える、超電導マグネット装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導マグネット装置において、
前記真空容器外に配置されており、前記作動媒体流路を通じて前記真空容器外に流出した気相の作動媒体を前記第１熱交換部に送るポンプをさらに備える、超電導マグネット装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導マグネット装置において、
前記熱交換器回避流路の下流側の端部は、前記作動媒体流路のうち前記真空容器の外側でかつ前記ポンプの上流側の部位に接続されており、
前記熱交換器回避流路は、前記真空容器外において前記作動媒体を加熱する加熱部を有する、超電導マグネット装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
前記真空容器内において前記超電導コイルを覆うとともに前記第１冷却ステージに熱的に接続された輻射シールドと、
前記輻射シールドに熱的に接触する冷却部を含み、前記輻射シールドを冷却するための冷却流路と、をさらに備え、
前記冷却流路は、前記作動媒体流路のうち前記第１熱交換部と前記熱交換器との間の部位から前記冷却部を経由して前記真空容器外に前記気相の作動媒体を導出させる、超電導マグネット装置。
【請求項５】
請求項４に記載の超電導マグネット装置において、
前記真空容器と前記輻射シールドとの間に設けられており、前記第１熱交換部に流入する前の作動媒体と、前記冷却部を通過した後の作動媒体と、を熱交換させる第２熱交換器をさらに備える、超電導マグネット装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
前記超電導コイルの温度が基準値よりも大きいときに、前記第１熱交換部、前記熱交換器、前記第２熱交換部、前記第３熱交換部及び前記熱交換器回避流路の順に前記気相の作動媒体が流れる予冷運転を維持し、前記超電導コイルの温度が前記基準値以下になったときに、前記第１熱交換部、前記熱交換器、前記第２熱交換部、前記第３熱交換部及び前記熱交換器の順に前記気相の作動媒体が流れる定常運転に切り替える切替部をさらに備える、超電導マグネット装置。
【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、超電導コイルを気相の作動媒体（ヘリウムガス等）を介して冷凍機で冷却することによって当該超電導コイルを超電導状態とすることが可能な超電導マグネット装置が知られている。例えば、特許文献１には、超電導コイルと、超電導コイルを収容する真空容器と、真空容器に取り付けられたＧＭ冷凍機と、真空容器外に配置されており気相の作動媒体（ガス）を圧縮するガス循環圧縮機と、ガスを循環させる第１配管と、第１配管に設けられた熱交換器と、を備える超電導マグネット装置が開示されている。ＧＭ冷凍機は、第１冷却ステージ及び第２冷却ステージを有している。第１配管は、第１冷却ステージ、第２冷却ステージ及び超電導コイルのそれぞれと熱的に接触している。熱交換器は、第１配管のうち第１冷却ステージと第２冷却ステージとの間の部位を流れる作動媒体（第１冷却ステージで冷却された作動媒体）と、第１配管のうち超電導コイルとガス循環圧縮機との間の部位を流れる作動媒体（超電導コイルを冷却した後の作動媒体）と、を熱交換させる。
【０００３】
この超電導マグネット装置では、第１配管内を気相の作動媒体が循環することにより、超電導コイルが超電導状態に維持される。具体的には、冷凍機の各冷却ステージで冷却された作動媒体によって超電導コイルが冷却される。超電導コイルを冷却した後の作動媒体は、熱交換器で加熱される。このため、真空容器外に位置するガス循環圧縮機には、常温ないしその近傍の温度を有する作動媒体が流入する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１２１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、超電導コイルを室温等から当該超電導コイルが超電導状態となる温度まで冷却するのに要する初期予冷時間を短縮させたいというニーズがある。
【０００６】
本発明の目的は、超電導コイルが超電導状態となるまで当該超電導コイルを冷却するのに要する予冷時間を短縮することが可能な超電導マグネット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイルを収容する真空容器と、第１冷却ステージと、前記第１冷却ステージが到達可能な温度よりも低い温度に到達することが可能な第２冷却ステージと、前記第１冷却ステージ及び前記第２冷却ステージが前記真空容器内に位置する状態で前記真空容器に取り付けられる取付部と、を含む冷凍機と、前記第１冷却ステージに熱的に接触する第１熱交換部、前記第２冷却ステージに熱的に接触する第２熱交換部及び前記超電導コイルに熱的に接触する第３熱交換部を含み、前記第１熱交換部、前記第２熱交換部及び前記第３熱交換部の順に気相の作動媒体を流すための作動媒体流路と、前記第１冷却ステージで冷却された後の作動媒体と、前記超電導コイルを冷却した後の作動媒体と、を熱交換させる熱交換器と、前記作動媒体流路のうち前記第３熱交換部と前記熱交換器との間の部位から前記真空容器外に前記気相の作動媒体を導出させるための熱交換器回避流路と、を備える、超電導マグネット装置を提供する。
【０００８】
本超電導マグネット装置は、第１熱交換部及び第２熱交換部において冷凍機から冷熱を得た後に第３熱交換部において超電導コイルに前記冷熱を与えた（超電導コイルを冷却した）後の気相の作動媒体（ヘリウムガス等）を、熱交換器を経由させずに真空容器外に導出させる熱交換器回避流路を有している。このため、超電導コイルの予冷時、超電導コイルを冷却した（超電導コイルによって加熱された）後の気相の作動媒体を熱交換器回避流路を通じて真空容器外に導出することにより、第１熱交換部において気相の作動媒体が第１冷却ステージから得た冷熱を熱交換器でロスすること（第１冷却ステージにより冷却された気相の作動媒体が超電導コイルを冷却した後の気相の作動媒体によって加熱されること）が回避される。このため、各冷却ステージから得た冷熱が効率的に超電導コイルに与えられる。よって、超電導コイルの予冷時間が短縮される。
【０００９】
この場合において、前記真空容器外に配置されており、前記作動媒体流路を通じて前記真空容器外に流出した気相の作動媒体を前記第１熱交換部に送るポンプをさらに備えることが好ましい。
【００１０】
このようにすれば、気相の作動媒体が第１熱交換部、第２熱交換部、第３熱交換部及びポンプを循環するので、超電導コイルの冷却に必要な作動媒体の量が削減される。
【００１１】
さらにこの場合において、前記熱交換器回避流路の下流側の端部は、前記作動媒体流路のうち前記真空容器の外側でかつ前記ポンプの上流側の部位に接続されており、前記熱交換器回避流路は、前記真空容器外において前記作動媒体を加熱する加熱部を有することが好ましい。
【００１２】
このようにすれば、導出流路から真空容器外に流出した作動媒体を作動媒体流路に戻すことができ、しかも、その作動媒体は加熱部で加熱されているので、ポンプへの負荷が低減される。
【００１３】
また、前記超電導マグネット装置において、前記真空容器内において前記超電導コイルを覆うとともに前記第１冷却ステージに熱的に接続された輻射シールドと、前記輻射シールドに熱的に接触する冷却部を含み、前記輻射シールドを冷却するための冷却流路と、をさらに備え、前記冷却流路は、前記作動媒体流路のうち前記第１熱交換部と前記熱交換器との間の部位から前記冷却部を経由して前記真空容器外に前記気相の作動媒体を導出させることが好ましい。
【００１４】
このようにすれば、第１熱交換部において気相の作動媒体が第１冷却ステージから得た冷熱が冷却部において輻射シールドに与えられるので、輻射シールドが第１冷却ステージのみによって冷却される場合よりも効果的に輻射シールドが冷却される。
【００１５】
この場合において、前記真空容器と前記輻射シールドとの間に設けられており、前記第１熱交換部に流入する前の作動媒体と、前記冷却部を通過した後の作動媒体と、を熱交換させる第２熱交換器をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
このようにすれば、冷却部を通過した後の作動媒体によって第１熱交換部に流入する前の作動媒体が有効に冷却される。
【００１７】
また、前記超電導マグネット装置において、前記超電導コイルの温度が基準値よりも大きいときに、前記第１熱交換部、前記熱交換器、前記第２熱交換部、前記第３熱交換部及び前記熱交換器回避流路の順に前記気相の作動媒体が流れる予冷運転を維持し、前記超電導コイルの温度が前記基準値以下になったときに、前記第１熱交換部、前記熱交換器、前記第２熱交換部、前記第３熱交換部及び前記熱交換器の順に前記気相の作動媒体が流れる定常運転に切り替える切替部をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
このようにすれば、超電導コイルが超電導状態となる温度に基準値が設定されることにより、超電導コイルを予冷する予冷運転から超電導コイルが超電導状態に維持される定常運転に自動的に切り替わる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、超電導コイルが超電導状態となるまで当該超電導コイルを冷却するのに要する予冷時間を短縮することが可能な超電導マグネット装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態の超電導マグネット装置の概略を示す断面図である。
【図２】図１に示す超電導マグネット装置の定常運転時の作動媒体の流れを示す図である。
【図３】図１に示す超電導マグネット装置の予冷運転時の作動媒体の流れを示す図である。
【図４】図１に示す超電導マグネット装置の冷凍機昇温運転時の作動媒体の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の一実施形態の超電導マグネット装置について、図１〜図４を参照しながら説明する。
【００２２】
図１に示されるように、超電導マグネット装置１は、超電導コイル１０と、輻射シールド１２と、真空容器１４と、冷凍機２０と、作動媒体流路３０と、ポンプ４０と、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２と、熱交換器回避流路５４と、コイル回避流路５６と、切替部６０と、を備えている。
【００２３】
超電導コイル１０は、超電導体（超電導物質）からなる線材を巻枠に巻回することにより得られるコイルである。
【００２４】
輻射シールド１２は、超電導コイル１０を収容する形状を有している。輻射シールド１２は、アルミニウムからなる。
【００２５】
真空容器１４は、輻射シールド１２を収容する形状を有している。真空容器１４内は真空に保たれる。これにより真空容器１４内への熱の侵入が抑制される。真空容器１４は、ステンレスからなる。
【００２６】
冷凍機２０は、気相の作動媒体を介して超電導コイル１０を冷却する。冷凍機２０は、第１冷却ステージ２１と、第２冷却ステージ２２と、取付部２３と、を有する。
【００２７】
第１冷却ステージ２１は、輻射シールド１２に熱的に接続される。第１冷却ステージ２１は、第１最低到達温度（４０Ｋ〜７０Ｋ程度）に到達することが可能である。
【００２８】
第２冷却ステージ２２は、輻射シールド１２内に位置している。第２冷却ステージ２２は、第１最低到達温度よりも低い第２最低到達温度（４Ｋ程度）に到達することが可能である。
【００２９】
取付部２３は、第１冷却ステージ２１及び第２冷却ステージ２２が真空容器１４内に位置する状態で真空容器１４に対して着脱自在に取り付け可能である。
【００３０】
作動媒体流路３０は、気相の作動媒体（ヘリウムガスや水素ガス等）を流すための流路である。本実施形態では、作動媒体流路３０は、気相の作動媒体を真空容器１４内及び真空容器１４外で循環させる形状を有する。作動媒体流路３０は、第１熱交換部３１と、第２熱交換部３２と、第３熱交換部３３と、を有している。第１熱交換部３１は、第１冷却ステージ２１と熱的に接触している。第２熱交換部３２は、第２冷却ステージ２２と熱的に接触している。第３熱交換部３３は、超電導コイル１０と熱的に接触している。つまり、第１熱交換部３１及び第２熱交換部３２は、冷凍機２０に熱的に接触する「冷凍機熱交換部」を構成し、第３熱交換部３３は、超電導コイル１０に熱的に接触する「コイル熱交換部」を構成する。本実施形態では、気相の作動媒体として、ヘリウムガスが用いられる。
【００３１】
作動媒体流路３０のうち真空容器１４外の部位には、作動媒体流路３０を通じて真空容器１４外に流出したヘリウムガスを第１熱交換部３１に向けて送るポンプ４０が設けられている。作動媒体流路３０のうち真空容器１４外でかつポンプ４０の下流側の部位には、開度調整が可能な第１開閉弁Ｖ１と、第１流量センサＦ１と、安全弁ＲＶと、が設けられている。作動媒体流路３０のうち真空容器１４外でかつポンプ４０の上流側の部位には、開度調整が可能な第２開閉弁Ｖ２と、第２流量センサＦ２と、が設けられている。
【００３２】
第１熱交換器４１は、輻射シールド１２内に設けられている。第１熱交換器４１は、第１熱交換部３１で第１冷却ステージ２１により冷却された後でかつ第２熱交換部３２で第２冷却ステージ２２により冷却される前のヘリウムガスと、第３熱交換部３３で超電導コイル１０を冷却した後のヘリウムガスと、を熱交換させる。
【００３３】
第２熱交換器４２は、真空容器１４内でかつ輻射シールド１２外に設けられている。第２熱交換器４２は、第１熱交換部３１に流入する前のヘリウムガスと、第１熱交換器４１を通過した後のヘリウムガスと、を熱交換させる。
【００３４】
本実施形態では、輻射シールド１２を冷却するための冷却流路５２を有している。冷却流路５２は、作動媒体流路３０に接続されている。具体的に、冷却流路５２の上流側の端部は、作動媒体流路３０のうち第１熱交換部３１の下流側でかつ第１熱交換器４１の上流側の部位に接続されている。冷却流路５２の下流側の端部は、作動媒体流路３０のうち真空容器１４の外側でかつポンプ４０の上流側の部位に接続されている。冷却流路５２は、輻射シールド１２に熱的に接触する冷却部５３を有している。このため、輻射シールド１２は、第１熱交換部３１においてヘリウムガスが第１冷却ステージ２１から受けた冷熱を冷却部５３においてヘリウムガスから受け取ることによって冷却される。この冷却流路５２は、第２熱交換器４２内に通されている。このため、真空容器１４外から作動媒体流路３０を通じて第１熱交換部３１に向かうヘリウムガスは、第２熱交換器４２において冷却流路５２を流れるヘリウムガスによって冷却される。冷却流路５２のうち真空容器１４外の部位には、開度調整が可能な第３開閉弁Ｖ３と、第３流量センサＦ３と、が設けられている。よって、冷却流路５２を流れるヘリウムガスの流量は、第１流量センサＦ１〜第３流量センサＦ３の検出値に基づいて第１開閉弁Ｖ１、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３のそれぞれの開度を調整することにより調整される。
【００３５】
熱交換器回避流路５４は、超電導コイル１０の予冷時に利用される流路である。この熱交換器回避流路５４は、第３熱交換部３３を通過したヘリウムガスに各熱交換器４１，４２を回避させる流路である。具体的に、熱交換器回避流路５４は、作動媒体流路３０のうち第３熱交換部３３と第１熱交換器４１との間の部位から真空容器１４外にヘリウムガスを導出させるための流路である。熱交換器回避流路５４の上流側の端部は、作動媒体流路３０のうち第３熱交換部３３の下流側でかつ第１熱交換器４１の上流側の部位に接続されている。熱交換器回避流路５４の下流側の端部は、作動媒体流路３０のうち真空容器１４の外側でかつポンプ４０の上流側の部位に接続されている。熱交換器回避流路５４は、真空容器１４外においてヘリウムガスを加熱する加熱部５５を有する。熱交換器回避流路５４のうち真空容器１４外でかつ加熱部５５の下流側の部位には、開度調整が可能な第４開閉弁Ｖ４と、第４流量センサＦ４と、が設けられている。
【００３６】
コイル回避流路５６は、冷凍機２０のメンテナンスが行われる際に利用される流路である。このコイル回避流路５６は、第２熱交換部３２を通過したヘリウムガスに第３熱交換部３３を回避させる流路である。具体的に、コイル回避流路５６は、作動媒体流路３０のうち第２熱交換部３２と第３熱交換部３３との間の部位から真空容器１４外にヘリウムガスを導出させるための流路である。コイル回避流路５６の上流側の端部は、作動媒体流路３０のうち第２熱交換部３２と第３熱交換部３３との間の部位に接続されている。コイル回避流路５６の下流側の端部は、作動媒体流路３０のうち真空容器１４の外側でかつポンプ４０の上流側の部位に接続されている。コイル回避流路５６は、真空容器１４外においてヘリウムガスを加熱する加熱部５７を有する。コイル回避流路５６のうち真空容器１４外でかつ加熱部５７の下流側の部位には、開度調整が可能な第５開閉弁Ｖ５と、第５流量センサＦ５と、が設けられている。
【００３７】
ここで、以上に説明した超電導マグネット装置１の定常運転時の動作について説明する。定常運転では、第１開閉弁Ｖ１、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３が開かれ、第４開閉弁Ｖ４及び第５開閉弁Ｖ５は閉じられ、超電導コイル１０に通電され、冷凍機２０及びポンプ４０が駆動されている。この定常運転では、図２に示されるように、ポンプ４０から吐出されたヘリウムガスの一部は、作動媒体流路３０を循環し、ポンプ４０から吐出されたヘリウムガスの残部は、冷却流路５２を介して作動媒体流路３０を循環する。すなわち、前記ヘリウムガスの一部は、第２熱交換器４２、第１熱交換部３１、第１熱交換器４１、第２熱交換部３２、第３熱交換部３３、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２をこの順に流れ、前記ヘリウムガスの残部は、第２熱交換器４２、第１熱交換部３１、冷却部５３及び第２熱交換器４２をこの順に流れる。
【００３８】
前記ヘリウムガスの一部は、第１熱交換部３１で第１冷却ステージ２１から冷熱を受け取った後、第２熱交換部３２において第２冷却ステージ２２からさらに冷熱を受け取り、その冷熱を第３熱交換部３３において超電導コイル１０に与える。これにより、超電導コイル１０が冷却される。このようにして、超電導コイル１０が超電導状態に維持される。第３熱交換部３３を通過した後のヘリウムガスは、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２において第３熱交換部３３に向かうヘリウムガスによって加熱される。これにより、第２熱交換器４２を通過した後のヘリウムガスの温度は、ポンプ４０が安定的に駆動可能な温度（例えば常温程度）となる。よって、ポンプ４０の駆動が安定する。
【００３９】
前記ヘリウムガスの残部は、第１熱交換部３１で第１冷却ステージ２１から冷熱を受け取った後、その冷熱を冷却部５３において輻射シールド１２に与える。これにより、輻射シールド１２が冷却される。よって、輻射シールド１２が第１冷却ステージ２１のみによって冷却される場合よりも効果的に輻射シールド１２が冷却される。冷却部５３を通過した後のヘリウムガスは、第２熱交換器４２で第１熱交換部３１に向かうヘリウムガスによって加熱される。これにより、第２熱交換器４２を通過した後のヘリウムガスの温度は、ポンプ４０が安定的に駆動可能な温度（例えば常温程度）となる。
【００４０】
この定常運転においては、上述のように、冷却流路５２を流れるヘリウムガスの流量は、第１流量センサＦ１〜第３流量センサＦ３の検出値に基づいて第１開閉弁Ｖ１、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３のそれぞれの開度を調整することにより調整される。
【００４１】
次に、切替部６０について説明する。切替部６０は、予冷運転から定常運転に切り替える操作と、定常運転から冷凍機昇温運転に切り替える操作と、を行う。予冷運転は、超電導コイル１０が超電導状態となるように当該超電導コイル１０を例えば常温から冷却する運転である。冷凍機昇温運転は、冷凍機２０をメンテナンスする際に、冷凍機２０を昇温させる運転である。
【００４２】
まず、予冷運転について説明する。予冷運転では、第１開閉弁Ｖ１、第３開閉弁Ｖ３及び第４開閉弁Ｖ４が開かれ、第２開閉弁Ｖ２及び第５開閉弁Ｖ５が閉じられ、冷凍機２０及びポンプ４０が駆動される。この予冷運転では、図３に示されるように、ポンプ４０から吐出されたヘリウムガスの一部は、熱交換器回避流路５４を介して作動媒体流路３０を循環し、ポンプ４０から吐出されたヘリウムガスの残部は、冷却流路５２を介して作動媒体流路３０を循環する。すなわち、前記ヘリウムガスの一部は、第２熱交換器４２、第１熱交換部３１、第１熱交換器４１、第２熱交換部３２、第３熱交換部３３及び加熱部５５をこの順に流れ、前記ヘリウムガスの残部は、第２熱交換器４２、第１熱交換部３１、冷却部５３及び第２熱交換器４２をこの順に流れる。
【００４３】
前記ヘリウムガスの一部は、第１熱交換部３１で第１冷却ステージ２１から冷熱を受け取った後、第２熱交換部３２において第２冷却ステージ２２からさらに冷熱を受け取り、その冷熱を第３熱交換部３３において超電導コイル１０に与える。これにより、超電導コイル１０が冷却される。この予冷運転では、定常運転と異なり、第３熱交換部３３を通過した後のヘリウムガスは、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２を回避して熱交換器回避流路５４を通じてポンプ４０に戻る。このため、第１熱交換部３１から第２熱交換部３２に向かうヘリウムガスが第１熱交換器４１において第３熱交換部３３を通過したヘリウムガスによって加熱されることが回避される。換言すれば、ヘリウムガスが第１冷却ステージ２１から受け取った冷熱を超電導コイル１０に与える前にロスすることが回避される。よって、各冷却ステージ２１，２２から得た冷熱が有効に超電導コイル１０に与えられるので、超電導コイル１０の予冷時間が短縮される。
【００４４】
熱交換器回避流路５４に流入したヘリウムガスは、加熱部５５で加熱される。これにより、加熱部５５を通過した後のヘリウムガスの温度は、ポンプ４０が安定的に駆動可能な温度（例えば常温程度）となる。
【００４５】
この予冷運転では、超電導コイル１０の冷却が進むにしたがってヘリウムガスの体積が減少する。作動媒体流路３０の圧力が閾値を下回ると、作動媒体流路３０の圧力が前記閾値以上となるまで、ヘリウムガスが貯留された貯留容器７１から補充流路７２を通じて作動媒体流路３０にヘリウムガスが補充される。なお、作動媒体流路３０の圧力は、作動媒体流路３０のうちポンプ４０の上流側の部位に設けられた圧力センサ７３によって検出される。作動媒体流路３０へのヘリウムガスの補充は、圧力センサ７３の検出値に基づいて手動で行われてもよいし、貯留容器７１に圧力レギュレータが付属されている場合、その圧力レギュレータによって行われてもよい。
【００４６】
予冷運転が完了すると、つまり、超電導コイル１０の温度が基準値（臨界温度）に達すると、切替部６０は、予冷運転から定常運転（第３熱交換部３３を通過した後、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２を経由してポンプ４０にヘリウムガスが戻る運転）に切り替える操作を行う。具体的に、切替部６０は、超電導コイル１０の温度が基準値に達すると、第４開閉弁Ｖ４を閉めるとともに第３開閉弁Ｖ３を開き、超電導コイル１０に通電する。なお、超電導コイル１０の温度は、超電導コイル１０に設けられた温度センサ６３によって検出される。
【００４７】
次に、冷凍機昇温運転について説明する。この冷凍機昇温運転は、冷凍機２０のメンテナンス時に行われる。冷凍機昇温運転では、第１開閉弁Ｖ１及び第５開閉弁Ｖ５が開かれ、第２開閉弁Ｖ２、第３開閉弁Ｖ３及び第４開閉弁Ｖ４は閉じられ、ポンプ４０が駆動され、冷凍機２０が停止される。この冷凍機昇温運転では、図４に示されるように、ポンプ４０から吐出されたヘリウムガスは、コイル回避流路５６を介して作動媒体流路３０を循環する。すなわち、ヘリウムガスは、第２熱交換器４２、第１熱交換部３１、第１熱交換器４１、第２熱交換部３２及び加熱部５７をこの順に流れる。このとき、真空容器１４内に流入した常温程度のヘリウムガスは、第１熱交換部３１において第１冷却ステージ２１を加熱し、その後、第２熱交換部３２において第２冷却ステージ２２を加熱する。よって、冷凍機２０が速やかに昇温する。冷凍機昇温運転では、冷凍機２０が停止されているため、第２熱交換部３２を通過したヘリウムガスの温度は、超電導コイル１０の臨界温度よりも高くなっているものの、そのヘリウムガスは、超電導コイル１０に熱的に接触している第３熱交換部３３を経由することなくコイル回避流路５６に流入する。このため、冷凍機２０を加熱したヘリウムガスによる超電導コイル１０の加熱が回避される。すなわち、本実施形態の冷凍機昇温運転では、超電導コイル１０の温度上昇が抑制されつつ冷凍機２０の温度が速やかに上昇する。
【００４８】
以上に説明した冷凍機昇温運転は、定常運転時に冷凍機２０のメンテナンスが行われることを示す信号を切替部６０が受信することにより開始される。つまり、切替部６０は、定常運転時に前記信号を受信したときに、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３を閉じ、第５開閉弁Ｖ５を開くとともに、冷凍機２０を停止させる。なお、前記信号は、例えばオペレータによるスイッチ操作等によって切替部６０に送信される。
【００４９】
冷凍機昇温運転によって各冷却ステージ２１，２２の温度が常温程度になると、冷凍機２０が真空容器１４から取り外され、冷凍機２０のメンテナンスが行われる。なお、第１冷却ステージ２１の温度は、第１冷却ステージ２１に設けられた温度センサ６１によって検出され、第２冷却ステージ２２の温度は、第２冷却ステージ２２に設けられた温度センサ６２によって検出される。
【００５０】
冷凍機２０のメンテナンスの間、ポンプ４０の駆動は継続される。これにより、真空容器１４内において冷凍機２０を保持する部位（シリンダ等）がヘリウムガスによって加熱され続けるので、前記部位への霜の付着等が抑制される。冷凍機２０のメンテナンスの終了後、冷凍機２０が真空容器１４に取り付けられる。そして、冷凍機２０が駆動されるとともに、第５開閉弁Ｖ５が閉じられ、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３が開かれる。これにより、冷凍機２０のメンテナンス間に自然に温度上昇した輻射シールド１２及び超電導コイル１０が次第に冷却される。その後、超電導マグネット装置１は、定常運転に復帰する。
【００５１】
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。
【００５２】
例えば、切替部６０は省略されてもよい。この場合、予冷運転から定常運転への切り替えや、定常運転から冷凍機昇温運転への切り替えは、手動で行われる。
【００５３】
また、冷却流路５２は省略されてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１    超電導マグネット装置
１０    超電導コイル
１２    輻射シールド
１４    真空容器
２０    冷凍機
２１    第１冷却ステージ
２２    第２冷却ステージ
２３    取付部
３０    作動媒体流路
３１    第１熱交換部
３２    第２熱交換部
３３    第３熱交換部
４０    ポンプ
４１    第１熱交換器
４２    第２熱交換器
５２    冷却流路
５３    冷却部
５４    熱交換器回避流路
５５    加熱部
５６    コイル回避流路
５７    加熱部
６０    切替部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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