(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必要な液体ヘリウムの量を低減することが可能な超電導コイルの予冷方法を提供すること。【解決手段】冷凍機（５０）と輻射シールド（３０）との間に通路が形成されている超電導マグネット装置（１）における超電導コイル（１０）が超電導状態となるまで超電導コイル（１０）を冷却する方法であって、窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有する気相の作動媒体を冷凍機包囲筒（２４）内に供給する供給工程と、第１冷却ステージ（５１）で冷却され、かつ、前記通路を通過した後に第２冷却ステージ（５２）でさらに冷却された気相の作動媒体によって槽本体（２２）内で超電導コイル（１０）を冷却する冷却工程と、槽本体（２２）内において超電導コイル（１０）を冷却した後の作動媒体を連通筒（２６）を通じて真空容器（４０）外に排出させる排出工程と、を備えること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、前記超電導コイル及び液体ヘリウムを収容するヘリウム槽と、前記ヘリウム槽を収容する輻射シールドと、前記輻射シールドを収容する真空容器と、前記輻射シールドに熱的に接続される第１冷却ステージ及び前記ヘリウム槽内の作動媒体を凝縮させる第２冷却ステージを有する冷凍機と、を備え、前記ヘリウム槽は、前記超電導コイルを収容する槽本体と、前記槽本体から上方に延びかつ前記冷凍機を包囲する冷凍機包囲筒と、前記槽本体から上方に延びかつ前記槽本体内と外部とを連通する連通筒と、を有し、前記真空容器は、前記冷凍機包囲筒を取り囲む第１筒部と、前記連通筒を包囲する第２筒部と、を有し、前記冷凍機と前記輻射シールドとの間には通路が形成されている超電導マグネット装置における前記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方法であって、
窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有する気相の作動媒体を前記冷凍機包囲筒内に供給する供給工程と、
前記第１冷却ステージで冷却され、かつ、前記通路を通過した後に前記第２冷却ステージでさらに冷却された気相の作動媒体によって前記槽本体内で前記超電導コイルを冷却する冷却工程と、
前記槽本体内において前記超電導コイルを冷却した後の作動媒体を前記連通筒を通じて前記真空容器外に排出させる排出工程と、を備える、超電導コイルの予冷方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導コイルの予冷方法において、
前記供給工程では、前記排出工程で前記真空容器外に排出された作動媒体を前記冷凍機用筒部に供給する、超電導コイルの予冷方法。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導コイルの予冷方法において、
前記供給工程では、前記冷凍機の温度に応じて設定された設定流量の作動媒体を冷凍機包囲筒に戻す、超電導コイルの予冷方法。
【請求項４】
超電導マグネット装置であって、
超電導コイルと、
前記超電導コイル及び液体ヘリウムを収容するヘリウム槽と、
前記ヘリウム槽を収容する輻射シールドと、
前記輻射シールドを収容する真空容器と、
前記輻射シールドに熱的に接続される第１冷却ステージ及び前記ヘリウム槽内の作動媒体を凝縮させる第２冷却ステージを有する冷凍機と、
窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有する気相の作動媒体を前記ヘリウム槽内に供給する供給部と、を備え、
前記ヘリウム槽は、
前記超電導コイルを収容する槽本体と、
前記槽本体から上方に延びかつ前記冷凍機を包囲する冷凍機包囲筒と、
前記槽本体から上方に延びかつ前記槽本体内と外部とを連通する連通筒と、を有し、
前記真空容器は、
前記冷凍機包囲筒を取り囲む第１筒部と、
前記連通筒を包囲する第２筒部と、を有し、
前記冷凍機と前記輻射シールドとの間には通路が形成されており、
前記供給部は、
前記作動媒体を前記冷凍機包囲筒内に供給するための供給流路と、
前記供給流路に設けられており、前記作動媒体が前記第１冷却ステージ及び前記第２冷却ステージに接触しながら前記通路を通じて前記冷凍機包囲筒内から前記槽本体内に流入し、前記超電導コイルを冷却した後に前記連通筒を通じて前記真空容器外に排出される流れを形成するポンプと、を有する、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、
前記連通筒を通じて前記真空容器外に排出された作動媒体を前記供給流路に戻す戻し流路をさらに備える、超電導マグネット装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超電導マグネット装置において、
前記冷凍機の温度に応じて設定された設定流量の作動媒体が前記冷凍機包囲筒内に供給されるように、前記冷凍機包囲筒内へ供給される前記作動媒体の流量を調整する流量調整部をさらに備える、超電導マグネット装置。
【請求項７】
請求項６に記載の超電導マグネット装置において、
前記戻し流路に気相の作動媒体を補充可能な補充部をさらに備える、超電導マグネット装置。
【請求項８】
請求項７に記載の超電導マグネット装置において、
前記補充部は、前記ヘリウム槽ないし前記戻し流路の圧力が、前記冷凍機包囲筒内に供給される前記気相の作動媒体の流量を前記流量調整部が前記設定流量に維持することが可能な閾値を下回ったときに、前記圧力が前記閾値以上となるように前記戻し流路に前記気相の作動媒体を補充する、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の超電導コイルの予冷方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導コイルを超電導状態で使用することによって高い磁場を生じさせる超電導マグネット装置として、超電導コイルと、ヘリウム槽と、輻射シールドと、真空容器と、冷凍機と、を備えるものが知られている。ヘリウム槽は、超電導コイル及び液体ヘリウムを収容する。輻射シールドは、ヘリウム槽を収容する。真空容器は、輻射シールドを収容する。冷凍機は、輻射シールドに熱的に接続されることによって当該輻射シールドを冷却する第１冷却ステージと、ヘリウム槽内においてヘリウムガスを凝縮させる第２冷却ステージと、を有している。ヘリウム槽は、超電導コイルを収容する槽本体と、槽本体から上方に延びかつ冷凍機を包囲する冷凍機包囲筒と、槽本体から上方に延びかつ槽本体内と外部とを連通する連通筒と、を有している。真空容器は、冷凍機包囲筒を包囲する第１筒部と、連通筒を包囲する第２筒部と、を有している。
【０００３】
このような超電導マグネット装置の超電導コイルは、例えば、特許文献１に記載される方法で当該超電導コイルが超電導状態となる温度まで予冷される。特許文献１に記載される予冷方法では、まず、常温（例えば室温）において、例えば連通筒を通じて槽本体内に液体窒素が供給され、その液体窒素によって超電導コイルが第１の温度（例えば７７Ｋ）まで冷却される。その後、槽本体内に液体ヘリウムが供給され、その液体ヘリウムによって超電導コイルが第２の温度、すなわち、超電導コイルが超電導状態となる温度（例えば４Ｋ）まで冷却される。そして、槽本体内に超電導コイルが浸る量の液体ヘリウムが充填される。このようにして超電導コイルが予冷された後、超電導マグネット装置は定常運転に移行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１９６７８１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に記載される超電導マグネット装置の超電導コイルの予冷方法では、液体窒素で超電導コイルが冷却された後、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が冷却されるのに多くの液体ヘリウムが消費される。
【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必要な液体ヘリウムの量を低減することが可能な超電導コイルの予冷方法及び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に、本発明者らは、冷凍機包囲筒及び連通筒を有するヘリウム槽と、冷凍機包囲筒に保持された冷凍機と、を備える構造を利用し、冷凍機包囲筒から窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有する気相の作動媒体（ヘリウムガスや水素ガス等）を供給することにより、その気相の作動媒体によって超電導コイルを有効に冷却することが可能であることに想到した。具体的に、冷凍機の第１冷却ステージと輻射シールドとは熱的に接続されているものの、第１冷却ステージと輻射シールドとの間には、冷凍機に取り付けられる温度センサのリード線等を通すための微小な通路が形成されているので、冷凍機包囲筒内に気相の作動媒体が供給されることにより、当該作動媒体が、前記隙間、槽本体及び連通筒をこの順に通過して真空容器外に排出される流れが形成される。冷凍機包囲筒内に供給された気相の作動媒体は、前記隙間を通じて槽本体に向かう過程で冷凍機の各冷却ステージで冷却されるので、その作動媒体により、槽本体内において超電導コイルが有効に、かつ窒素の凝縮点よりも低い温度に冷却される。よって、冷凍機包囲筒内に、窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有する気相の作動媒体を供給することにより、超電導コイルの冷却に必要な液体ヘリウムの使用量を低減することが可能となる。
【０００８】
本発明は、このような観点からなされたものである。具体的に、本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイル及び液体ヘリウムを収容するヘリウム槽と、前記ヘリウム槽を収容する輻射シールドと、前記輻射シールドを収容する真空容器と、前記輻射シールドに熱的に接続される第１冷却ステージ及び前記ヘリウム槽内の作動媒体を凝縮させる第２冷却ステージを有する冷凍機と、を備え、前記ヘリウム槽は、前記超電導コイルを収容する槽本体と、前記槽本体から上方に延びかつ前記冷凍機を包囲する冷凍機包囲筒と、前記槽本体から上方に延びかつ前記槽本体内と外部とを連通する連通筒と、を有し、前記真空容器は、前記冷凍機包囲筒を取り囲む第１筒部と、前記連通筒を包囲する第２筒部と、を有し、前記冷凍機と前記輻射シールドとの間には通路が形成されている超電導マグネット装置における前記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方法であって、窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有する気相の作動媒体を前記冷凍機包囲筒内に供給する供給工程と、前記第１冷却ステージで冷却され、かつ、前記通路を通過した後に前記第２冷却ステージでさらに冷却された気相の作動媒体によって前記槽本体内で前記超電導コイルを冷却する冷却工程と、前記槽本体内において前記超電導コイルを冷却した後の作動媒体を前記連通筒を通じて前記真空容器外に排出させる排出工程と、を備える、超電導コイルの予冷方法を提供する。
【０００９】
本超電導コイルの予冷方法では、供給工程において冷凍機包囲筒内に供給された気相の作動媒体は、前記通路を通じて槽本体内に向かう過程で冷凍機の各冷却ステージで冷却されるので、槽本体内において、その気相の作動媒体によって超電導コイルが有効に冷却される。そして、前記作動媒体として、窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有する媒体（ヘリウムガスや水素ガス等）が用いられるので、超電導コイルは、当該超電導コイルが液体窒素で冷却されることが可能な温度（約７７Ｋ）以下の温度まで冷却される。よって、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必要な液体ヘリウムの量が低減される。
【００１０】
なお、冷却工程において各冷却ステージで冷却された作動媒体の比重は、ヘリウム槽内に存在する他の作動媒体の比重よりも大きくなるので、槽本体内の下方へ向かう。そして、超電導コイルを冷却することによって作動媒体が昇温し、これにより作動媒体の比重は大きくなるので、槽本体の上方の連通筒を通じて真空容器外に向かう。
【００１１】
また、前記供給工程では、前記排出工程で前記真空容器外に排出された作動媒体を前記冷凍機用筒部に供給することが好ましい。
【００１２】
このようにすれば、冷凍機包囲筒、槽本体及び連通筒を含む循環流路内を作動媒体が循環するので、ヘリウム槽内への作動媒体の供給量が低減される。
【００１３】
さらに、前記供給工程では、前記冷凍機の温度に応じて設定された設定流量の作動媒体を冷凍機包囲筒に戻すことが好ましい。
【００１４】
このようにすれば、気相の作動媒体によって有効に超電導コイルが冷却される。具体的に、設定流量よりも少ない流量の作動媒体が冷凍機包囲筒に供給されることによって超電導コイルの冷却が不十分となること（超電導コイルの予冷時間が長くなること）や、設定流量よりも多い流量の作動媒体が冷凍機包囲筒に供給されることによって冷凍機での作動媒体の冷却が不十分となること（超電導コイルの温度が上昇すること）が抑制される。
【００１５】
また、本発明は、超電導マグネット装置であって、超電導コイルと、前記超電導コイル及び液体ヘリウムを収容するヘリウム槽と、前記ヘリウム槽を収容する輻射シールドと、前記輻射シールドを収容する真空容器と、前記輻射シールドに熱的に接続される第１冷却ステージ及び前記ヘリウム槽内の作動媒体を凝縮させる第２冷却ステージを有する冷凍機と、窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有する気相の作動媒体を前記ヘリウム槽内に供給する供給部と、を備え、前記ヘリウム槽は、前記超電導コイルを収容する槽本体と、前記槽本体から上方に延びかつ前記冷凍機を包囲する冷凍機包囲筒と、前記槽本体から上方に延びかつ前記槽本体内と外部とを連通する連通筒と、を有し、前記真空容器は、前記冷凍機包囲筒を取り囲む第１筒部と、前記連通筒を包囲する第２筒部と、を有し、前記冷凍機と前記輻射シールドとの間には通路が形成されており、前記供給部は、前記作動媒体を前記冷凍機包囲筒内に供給するための供給流路と、前記供給流路に設けられており、前記作動媒体が前記第１冷却ステージ及び前記第２冷却ステージに接触しながら前記通路を通じて前記冷凍機包囲筒内から前記槽本体内に流入し、前記超電導コイルを冷却した後に前記連通筒を通じて前記真空容器外に排出される流れを形成するポンプと、を有する、超電導マグネット装置を提供する。
【００１６】
本超電導マグネット装置においても、供給流路を通じて冷凍機包囲筒内に供給された気相の作動媒体によって超電導コイルが有効に冷却される。よって、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必要な液体ヘリウムの量が低減される。
【００１７】
前記超電導マグネット装置において、前記連通筒を通じて前記真空容器外に排出された作動媒体を前記供給流路に戻す戻し流路をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
このようにすれば、作動媒体が、ヘリウム槽、戻し流路及び供給流路をこの順に循環するので、超電導コイルの冷却に使用される作動媒体の量が低減される。
【００１９】
この場合において、前記冷凍機の温度に応じて設定された設定流量の作動媒体が前記冷凍機包囲筒内に供給されるように、前記冷凍機包囲筒内へ供給される前記作動媒体の流量を調整する流量調整部をさらに備えることが好ましい。
【００２０】
このようにすれば、気相の作動媒体によって有効に超電導コイルが冷却される。具体的に、設定流量よりも少ない流量の作動媒体が冷凍機包囲筒に供給されることによって超電導コイルの冷却が不十分となること（超電導コイルの予冷時間が長くなること）や、設定流量よりも多い流量の作動媒体が冷凍機包囲筒に供給されることによって冷凍機での作動媒体の冷却が不十分となること（超電導コイルの温度が上昇すること）が抑制される。
【００２１】
さらにこの場合において、前記戻し流路に気相の作動媒体を補充可能な補充部をさらに備えることが好ましい。
【００２２】
このようにすれば、超電導コイルの冷却が進むこと（気相の作動媒体の温度が低下すること）に伴って気相の作動媒体の体積が小さくなった場合、つまり、戻し流路、供給流路及びヘリウム槽内を循環する気相の作動媒体の循環量が少なくなった場合に、補充部が戻し流路に気相の作動媒体を補充することにより、超電導コイルの冷却が有効に継続される。また、戻し流路は、相対的に低圧であるため、気相の作動媒体の補充が容易になる。
【００２３】
具体的に、前記補充部は、前記ヘリウム槽ないし前記戻し流路の圧力が、前記冷凍機包囲筒内に供給される前記気相の作動媒体の流量を前記流量調整部が前記設定流量に維持することが可能な閾値を下回ったときに、前記圧力が前記閾値以上となるように前記戻し流路に前記気相の作動媒体を補充することが好ましい。
【００２４】
このようにすれば、冷凍機包囲筒内に供給される気相の作動媒体の流量を設定流量に維持することが可能となるので、超電導コイルのより有効な冷却が可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
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必要な液体ヘリウムの量を低減することが可能な超電導コイルの予冷方法及び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】
【００２６】
【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図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の一実施形態の超電導マグネット装置１について、図１を参照しながら説明する。
【００２８】
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、ヘリウム槽２０と、輻射シールド３０と、真空容器４０と、冷凍機５０と、供給部６０と、戻し流路７０と、流量調整部８０と、補充部９０と、を備えている。
【００２９】
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。
【００３０】
ヘリウム槽２０は、超電導コイル１０と液体ヘリウムとを収容する。ヘリウム槽２０は、超電導コイル１０の中心軸が水平となる姿勢で超電導コイル１０を収容している。具体的に、ヘリウム槽２０は、超電導コイル１０の周囲を取り囲む形状を有する槽本体２２と、槽本体２２の上部から上方に延びかつ冷凍機５０を包囲する冷凍機包囲筒２４と、槽本体２２の上部から上方に延びかつ槽本体２２内と外部とを連通する連通筒２６と、を有している。各筒２４，２６は、槽本体２２の中心軸と直交する姿勢でかつ互いに離間した位置で槽本体２２の上部に接続されている。
【００３１】
輻射シールド３０は、ヘリウム槽２０を収容する。より具体的には、輻射シールド３０は、槽本体２２と、冷凍機包囲筒２４の下部と、連通筒２６の下部と、を被覆する形状を有している。輻射シールド３０は、アルミニウムからなる。輻射シールド３０は、当該輻射シールド３０外からヘリウム槽２０への熱の侵入を抑制する。
【００３２】
真空容器４０は、輻射シールド３０を収容する形状を有している。真空容器４０内は真空に保たれる。これにより真空容器４０内への熱の侵入が抑制される。真空容器４０は、主に槽本体２２を収容する容器本体４２と、冷凍機包囲筒２４を包囲する第１筒部４４と、連通筒２６を包囲する第２筒部４６と、を有する。
【００３３】
冷凍機５０は、冷凍機包囲筒２４及び第１筒部４４に対して着脱自在に取り付けられている。冷凍機５０は、第１冷却ステージ５１と、第２冷却ステージ５２と、を有している。第１冷却ステージ５１は、熱伝導率の高い材料（銅等）からなる熱伝導部材５５を介して輻射シールド３０に熱的に接続されている。第１冷却ステージ５１と熱伝導部材５５との間には、冷凍機５０に取り付けられる温度センサのリード線等を通すための通路（図示略）が形成されている。第２冷却ステージ５２は、冷凍機包囲筒２４の下部ないし槽本体２２内に位置している。第２冷却ステージ５２は、超電導マグネット装置１の定常運転時に槽本体２２内で気化したヘリウムを再凝縮させる。冷凍機５０が駆動されると、第１冷却ステージ５１の温度（輻射シールド３０の温度）は、３０Ｋ〜６０Ｋ程度となり、第２冷却ステージ５２の温度は、４Ｋ程度となる。
【００３４】
供給部６０は、窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有する気相の作動媒体（ヘリウムガスや水素ガス等）をヘリウム槽２０内に供給する。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。供給部６０は、供給流路６１と、供給流路６１に設けられたポンプ６２と、を有している。
【００３５】
供給流路６１は、ヘリウムガスを真空容器４０外から冷凍機包囲筒２４内に供給するための流路である。この供給流路６１の下流側の端部は、冷凍機包囲筒２４内のうち第１冷却ステージ５１よりも上方に位置している。供給流路６１には、第１開閉弁Ｖ１が設けられている。
【００３６】
ポンプ６２は、図１においてヘリウム槽２０内に矢印で示されるようなヘリウムガスの流れ、すなわち、前記通路を通じて冷凍機包囲筒２４、槽本体２２及び連通筒２６をこの順に流れてから真空容器４０外に向かうヘリウムガスの流れを形成する。このとき、ヘリウムガスは、前記通路を通じて冷凍機包囲筒２４内から槽本体２２内に流入する過程において、第１冷却ステージ５１及び第２冷却ステージ５２に接触することによって各冷却ステージ５１，５２により冷却され、槽本体２２内で超電導コイル１０と接触することによって当該超電導コイル１０を冷却する。
【００３７】
戻し流路７０は、連通筒２６を通じて真空容器４０外に排出されたヘリウムガスを供給流路６１に戻す流路である。つまり、戻し流路７０の上流側の端部は、連通筒２６の上端部（ポート）に接続されており、戻し流路７０の下流側の端部は、供給流路６１の上流側の端部に接続されている。このため、連通筒２６を通じて真空容器４０外に排出されたヘリウムガスは、ポンプ６２によって再び供給流路６１を通じて冷凍機包囲筒２４内に供給される。戻し流路７０には、第２開閉弁Ｖ２が設けられている。
【００３８】
流量調整部８０は、冷凍機包囲筒２４内に供給されるヘリウムガスの流量を調整する。本実施形態では、流量調整部８０は、供給流路６１に設けられた流量調整弁Ｖ３と、流量調整弁Ｖ３の開度を調整する開度調整部８３と、を有している。流量調整弁Ｖ３は、供給流路６１を流れるヘリウムガスの流量を調整する。開度調整部８３は、冷凍機包囲筒２４内へ供給されるヘリウムガスの流量が冷凍機５０の温度（冷凍機５０の冷凍能力）に応じて設定される設定流量となるように、流量調整弁Ｖ３の開度を調整する。
【００３９】
なお、冷凍機５０の温度は、第１冷却ステージ５１に取り付けられた温度センサ８１及び第２冷却ステージ５２に取り付けられた温度センサ８２により検出され、供給流路６１を流れるヘリウムガスの流量は、供給流路６１のうち流量調整弁Ｖ３が設けられた部位よりも上流側の部位に設けられた流量センサＦにより検出される。
【００４０】
補充部９０は、冷凍機包囲筒２４内へのヘリウムガスの供給量（本実施形態では、戻し流路７０、供給流路６１及びヘリウム槽２０内を循環するヘリウムガスの循環量）が不足したときに戻し流路７０にヘリウムガスを補充する。補充部９０は、ヘリウムガスを貯留する貯留容器９１と、貯留容器９１と戻し流路７０とを接続する補充流路９２と、補充流路９２に設けられた補充弁Ｖ４と、補充弁Ｖ４の開度を調整する補充弁調整部９４と、を有している。補充弁調整部９４は、ヘリウム槽２０内の圧力が閾値を下回ったときに、ヘリウム槽２０内の圧力が前記閾値以上となるように補充弁Ｖ４を開く。前記閾値は、冷凍機包囲筒２４内に供給されるヘリウムガスの流量を流量調整部８３が前記設定流量に維持することが可能な値に設定される。なお、ヘリウム槽２０内の圧力は、戻し流路７０に設けられた圧力センサ９５によって検出される。また、貯留容器９１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貯留容器９１内のヘリウムガスの戻し流路７０への補充が行われてもよい。
【００４１】
戻し流路７０には、連通筒２６から排出されたヘリウムガスを外部に排出する排出流路９６が設けられている。排出流路９６には、ヘリウム槽２０の圧力が基準値以上となったときに開く安全弁Ｖ５が設けられている。
【００４２】
次に、超電導コイル１０を冷却する方法について説明する。この超電導コイル１０の予冷方法は、ヘリウムガスを冷凍機包囲筒２４内へ供給する供給工程と、ヘリウムガスによって超電導コイル１０を冷却する冷却工程と、ヘリウム槽２０からヘリウムガスを排出させる排出工程と、を備えている。なお、この予冷方法の前に、液体窒素が連通筒２６を通じて槽本体２２内に供給され、その液体窒素によって超電導コイル１０が７７Ｋ程度まで冷却されることが好ましい。ただし、この液体窒素による超電導コイル１０の冷却は、省略が可能である。
【００４３】
供給工程では、供給流路６１を通じてヘリウムガスが冷凍機包囲筒２４内に供給される。具体的に、第１開閉弁Ｖ１、第２開閉弁Ｖ２及び流量調整弁Ｖ３が開かれ、ポンプ６２が駆動される。
【００４４】
これにより、ヘリウムガスが、冷凍機包囲筒２４内において前記通路を通過した後槽本体２２内に向かう流れが形成される。これが冷却工程に相当する。つまり、冷却工程では、第１冷却ステージ５１で冷却され、かつ、前記通路を通過した後に第２冷却ステージ５２でさらに冷却されたヘリウムガスによって、槽本体２２内で超電導コイル１０が冷却される。具体的に、冷却工程において各冷却ステージ５１，５２で冷却されたヘリウムガスの比重は、ヘリウム槽２０内に存在する他のヘリウムガスの比重よりも大きくなるので、槽本体２２内の下方へ向かう。
【００４５】
そして、超電導コイル１０を冷却したヘリウムガスは、昇温することによりその比重が大きくなるので、槽本体２２の上方の連通筒２６を通じて真空容器４０外に向かう。これが排出工程に相当する。
【００４６】
本実施形態では、連通筒２６を通じて真空容器４０外に排出されたヘリウムガスは、戻し流路７０を通じてポンプ６２に吸い込まれ、供給流路６１を通じて再び冷凍機包囲筒２４内に供給される。
【００４７】
また、供給工程では、冷凍機５０の温度に応じて設定された設定流量の作動媒体が冷凍機包囲筒２４内に戻される。具体的に、流量センサＦの検出値が前記設定流量となるように、開度調整部８３によって流量調整弁Ｖ３の開度が調整される。
【００４８】
以上のようにヘリウムガスが戻し流路７０、供給流路６１及びヘリウム槽２０内をこの順に循環することによって超電導コイル１０の冷却が進むと、次第にヘリウムガスの密度が大きくなる（体積が小さくなる）ので、ヘリウム槽２０の圧力（圧力センサ９５の検出値）が低下し始める。そして、ヘリウム槽２０の圧力が閾値を下回ると、当該圧力が閾値以上となるまで貯留容器９１からヘリウムガスが戻し流路７０に補充される。
【００４９】
また、超電導コイル１０の冷却中にヘリウム槽２０内の圧力が基準値以上に大きくなると、排出流路９６からヘリウムガスが排出される。
【００５０】
以上のように、本実施形態の超電導コイル１０の予冷方法では、供給工程において冷凍機包囲筒２４内に供給されたヘリウムガスは、前記通路を通じて槽本体２２内に向かう過程で冷凍機５０の各冷却ステージ５１，５１で冷却されるので、槽本体２２内において、そのヘリウムガスによって超電導コイル１０が有効に冷却される。そして、ヘリウムガスは、窒素の凝縮点よりも低い凝縮点を有するので、超電導コイル１０は、当該超電導コイル１０が液体窒素で冷却されることが可能な温度（約７７Ｋ）以下の温度まで冷却される。よって、超電導コイル１０が超電導状態となるまで当該超電導コイル１０を冷却するのに必要な液体ヘリウムの量が低減される。
【００５１】
なお、冷却工程は、超電導コイル１０の温度が４Ｋ程度になるまで継続されてもよいし、超電導コイル１０の温度が例えば２０Ｋ程度になるまで継続され、その後、連通筒２６を通じて槽本体２２内に液体ヘリウムが供給され、その液体ヘリウムによって超電導コイル１０が冷却されてもよい。いずれにしても、超電導コイル１０の冷却に必要な液体ヘリウムの量は低減される。なお、超電導コイル１０の温度は、超電導コイル１０に取り付けられた温度センサ１１によって検出される。
【００５２】
また、本実施形態では、戻し流路７０、供給流路６１及びヘリウム槽２０内をヘリウムガスが循環するので、ヘリウム槽２０内へのヘリウムガスの供給量が低減される。
【００５３】
さらに、供給工程では、冷凍機５０の温度に応じて設定された設定流量の作動媒体を冷凍機包囲筒２４に戻すので、ヘリウムガスによって有効に超電導コイル１０が冷却される。具体的に、設定流量よりも少ない流量のヘリウムガスが冷凍機包囲筒２４に供給されることによって超電導コイル１０の冷却が不十分となること（超電導コイル１０の予冷時間が長くなること）や、設定流量よりも多い流量のヘリウムガスが冷凍機包囲筒２４に供給されることによって冷凍機５０でのヘリウムガスの冷却が不十分となること（超電導コイル１０の温度が上昇すること）が抑制される。
【００５４】
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。
【００５５】
例えば、気相の作動媒体として、ヘリウムガスではなく、水素ガスが用いられてもよい。この場合、冷却工程において、水素ガスによって超電導コイル１０をその温度が例えば２０Ｋ程度となるまで冷却し、その後、液体ヘリウムで超電導コイル１０を冷却することが好ましい。このようにしても、超電導コイル１０の冷却に必要な液体ヘリウムの量は低減される。
【００５６】
また、流量調整部８０の構成は、上記実施形態の例に限られない。流量調整部８０は、冷凍機５０の温度に応じてポンプ６２の回転数を調整する回転数調整部を有してもよい。あるいは、供給流路６１にポンプ６２をバイパスするバイパス流路６５が設けられ、開度調整部８３は、冷凍機５０の温度に応じてバイパス流路６５に設けられたバイパス弁Ｖ６の開度を調整してもよい。
【００５７】
また、戻し流路７０は、省略されてもよい。つまり、気相の作動媒体が、戻し流路７０、供給流路６１及びヘリウム槽２０内を循環する構成でなくてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０    超電導コイル
２０    ヘリウム槽
２２    槽本体
２４    冷凍機包囲筒
２６    連通筒
３０    輻射シールド
４０    真空容器
４２    容器本体
４４    第１筒部
４６    第２筒部
５０    冷凍機
５１    第１冷却ステージ
５２    第２冷却ステージ
６０    供給部
６１    供給流路
６２    ポンプ
７０    戻し流路
８０    流量調整部
８３    開度調整部
９０    補充部
９１    貯留容器
９２    充填流路
９５    排出流路
Ｆ    流量センサ
【図１】
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