(57)【要約】【課題】冷却システムの異常停止を適切に予測することができる技術を提供する。【解決手段】冷却システムは、ヘリウムガスを使用するＧＭ冷凍機４と、ＧＭ冷凍機４から戻ってくるヘリウムガスを圧縮してＧＭ冷凍機４に供給する圧縮機１０と、制御部と、を備える。制御部は、ＧＭ冷凍機４または圧縮機１０もしくはその両方の状態を表す異なる複数のパラメータの測定値を取得する測定値取得部と、測定値取得部によって取得された測定値に所定の多変量解析を施す解析部と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを使用する冷凍機と、前記冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して前記冷凍機に供給する圧縮機と、を備える冷却システムの監視方法であって、
前記冷凍機または前記圧縮機もしくはその両方の状態を表す異なる複数のパラメータの測定値を取得することと、
取得された測定値に所定の多変量解析を施すことと、を含むことを特徴とする監視方法。
【請求項２】
前記多変量解析の結果に基づいて、ユーザに故障に関する警告を通知すべきか否かを判定することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の監視方法。
【請求項３】
前記複数のパラメータは、前記圧縮機の温度、ガスの圧力、前記圧縮機の冷却液の流量、前記冷凍機の温度および前記圧縮機の消費電力を表す電気的パラメータのうちの少なくとも２つであることを特徴とする請求項１または２に記載の監視方法。
【請求項４】
前記冷却システムは超伝導磁石システムのコイルを冷却するために使用され、
前記複数のパラメータは、前記超伝導磁石システムの状態を表すパラメータを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の監視方法。
【請求項５】
前記超伝導磁石システムの状態を表すパラメータは、前記超伝導磁石システムのコイルの周りの液体ヘリウム槽の圧力、前記コイルの温度、および前記液体ヘリウム槽に対するシールドの温度のうちの少なくともひとつであることを特徴とする請求項４に記載の監視方法。
【請求項６】
前記多変量解析はＭＴ（マハラノビス・タグチ）システムであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の監視方法。
【請求項７】
ガスを使用する冷凍機と、
前記冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して前記冷凍機に供給する圧縮機と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記冷凍機または前記圧縮機もしくはその両方の状態を表す異なる複数のパラメータの測定値を取得する測定値取得部と、
前記測定値取得部によって取得された測定値に所定の多変量解析を施す解析部と、を含むことを特徴とする冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機と圧縮機とを備える冷却システムの監視方法および冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、およびソルベー冷凍機等の冷凍機は、冷却対象物を、１００Ｋ（ケルビン）程度の低温から４Ｋ程度の極低温までの範囲で冷却することができる。そのような冷凍機は、超伝導磁石や検出器等の冷却、クライオポンプ等に用いられている。冷凍機には、冷凍機において動作ガスとして使用されるヘリウムガスを圧縮するための圧縮機が付随する。
【０００３】
冷凍機や圧縮機は定期的なメンテナンスが必要な機械である。冷凍機を使用する装置、例えばＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）などの超伝導磁石システムのオペレータは、通常、ＭＲＩシステムの稼動への影響を考慮しながらメンテナンス計画を立て、十分な準備をした上で冷凍機および圧縮機の運転を停止させる。
【０００４】
一方、メンテナンスによる計画的停止とは別に、突発的に冷凍機や圧縮機の運転が停止することがある（以下、異常停止と称す）。異常停止が発生した場合、ＭＲＩ内の液体ヘリウムが蒸発し、超伝導コイルのクエンチや予定されていたＭＲＩによる検査行為が不能となる等、支障が生じうる。
【０００５】
異常停止によるダメージを回避するための手段のひとつとして、従来、冷凍機や圧縮機の故障を予測する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−８９７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本技術は、関連技術において教示される１つのパラメータの変化に基づく故障予測技術を改良する。１つのパラメータの使用は、環境など外部変数の変化に左右され易いので信頼性に劣る。
【０００８】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却システムの異常停止を適切に予測することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は監視方法に関する。この監視方法は、ガスを使用する冷凍機と、冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して冷凍機に供給する圧縮機と、を備える冷却システムの監視方法であって、冷凍機または圧縮機もしくはその両方の状態を表す異なる複数のパラメータの測定値を取得することと、取得された測定値に所定の多変量解析を施すことと、を含む。
【００１０】
本発明の別の態様は、冷却システムである。この冷却システムは、ガスを使用する冷凍機と、冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して冷凍機に供給する圧縮機と、制御部と、を備える。制御部は、冷凍機または圧縮機もしくはその両方の状態を表す異なる複数のパラメータの測定値を取得する測定値取得部と、測定値取得部によって取得された測定値に所定の多変量解析を施す解析部と、を含む。
【００１１】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷却システムの異常停止を適切に予測することができる技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る冷却システムを備えるＭＲＩシステムの構成を示す模式図である。
【図２】図１の圧縮機の構成図である。
【図３】ＭＴシステムの概念を示す模式図である。
【図４】図２の制御部の機能および構成を示すブロック図である。
【図５】図４の標準データ保持部の一例を示すデータ構造図である。
【図６】算出されたマハラノビス距離による警告通知のタイミングを説明するための説明図である。
【図７】故障警告画面の代表画面図である。
【図８】図２の制御部における一連の処理を示すフローチャートである。
【図９】実施の形態に係る冷却システムを備える超伝導磁石システムの構成を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１５】
冷凍機および圧縮機を含む一般的な冷却システムには、圧力スイッチ（または圧力センサ）や温度スイッチ（または温度センサ）が各部に搭載されている。また、そのような冷却システムには、稼動状態における「測定点の値（以下、ＰＶと称す）」と「設定された値（以下、ＳＶと称す）」との比較により、ＰＶ＜ＳＶであれば正常状態、そうでなければ異常状態と判断し即座に運転を停止する機能が搭載されている。
【００１６】
ある故障予知技術として、ＳＶの手前に警告のための数値（以下、ＷＶと称す）をＷＶ＜ＳＶとなるように設定し、ＰＶ＜ＷＶ＜ＳＶであれば正常、ＷＶ＜ＰＶ＜ＳＶであれば警告、ＷＶ＜ＳＶ＜ＰＶとなれば異常と判断する方法が考えられる（当該方法は本発明者が検討のために独自に考案したものである）。この方法は一見有効であり、場合によっては効率よく判定することが可能と考えられる。
【００１７】
しかしながら、冷却システムにおいて、温度と圧力、温度と流量といった２つのパラメータの状態比較を考えた場合、単純に１つ１つのパラメータのＰＶ１＜ＳＶ１、ＰＶ２＜ＳＶ２等だけでは判断できない状態が発生しうる。
【００１８】
例えば、圧縮機の冷却水の配管が異物や不純物の堆積によって詰まり、徐々に冷却水流量が低下する不具合（故障）を予測することを考える。冷却水流量については一例では仕様で４ｌ／ｍｉｎから９ｌ／ｍｉｎであり、あるシステムでは初期の冷却水流量を８ｌ／ｍｉｎとすればよいとされる。徐々に冷却水流量が低下するので、仕様の最低冷却水量である４ｌ／ｍｉｎ以下になると異常と判断し、その手前の５ｌ／ｍｉｎで警告を出すことで故障予測を行うことができる。
【００１９】
これにより故障予測が実現されているように見えるが、より詳細に検討すると、まず４ｌ／ｍｉｎ〜５ｌ／ｍｉｎの範囲では、警告が出るが仕様の範囲内ではある。したがってオペレータを混乱させる可能性がある。また、初期の流量が５ｌ／ｍｉｎ程度しかない場合は常時警告が出されることとなる。すなわち、上記方法では、最初に８ｌ／ｍｉｎであったものが詰まりによって冷却水流量が減少して５ｌ／ｍｉｎになったのか、それとも冷却水供給施設における供給冷却水流量の設定が８ｌ／ｍｉｎから５ｌ／ｍｉｎに減ったのか、または最初から５ｌ／ｍｉｎで運転していたのか、が基本的には分からない。これらの状況には故障とは言えない状況も含まれており、上記方法では故障の前兆なのかそうでないのかの判断は困難である。さらに、同じ５ｌ／ｍｉｎでも、冷却水温度によって仕様の範囲内か範囲外かが分かれる条件が存在するので、冷却水流量だけをモニタして、流量の値だけで正常、異常手前、異常を明確に切り分けることは困難であり、誤検知の可能性が高まる。
【００２０】
これに対し、実施の形態に係る冷却システムの監視方法では、冷却システムの状態を表す異なる複数のパラメータの測定データに対して多変量解析を施し、その結果に基づいて冷却システムの故障予測を行う。これにより、従来の１変量による故障予測と比較して、予測の精度を高めることができ、また誤検知を抑制することができる。
【００２１】
図１は、実施の形態に係る冷却システムを備えるＭＲＩシステム２の構成を示す模式図である。ＭＲＩシステム２は、略ドーナツ形状を有し中央を被測定体が通過するガントリまたはＭＲＩクライオスタット６と、ＭＲＩクライオスタット６内を冷却するＧＭ冷凍機４と、ＧＭ冷凍機４と２本のフレキシブル配管８、９で接続された圧縮機１０と、監視端末１００と、を備える。ＧＭ冷凍機４、圧縮機１０および２本のフレキシブル配管８、９は、冷却対象（この場合はＭＲＩクライオスタット６内部）を冷却する、実施の形態に係る冷却システムを構成する。この冷却システムは、ＭＲＩシステム２の超伝導コイル６ｃを冷却するために使用される。
【００２２】
ＭＲＩクライオスタット６は、筐体６ａと、シールド６ｂと、超伝導コイル６ｃと、を含む。超伝導コイル６ｃは液体ヘリウム温度（４．２Ｋ程度）で超伝導性を示す材料の線材により形成される。筐体６ａとシールド６ｂとの間の空間は熱伝導を抑えるために真空引きされている。シールド６ｂは超伝導コイル６ｃを環囲する。シールド６ｂと超伝導コイル６ｃとの間の空間は液体ヘリウム槽６ｄとなっており、ＭＲＩシステム２の稼動状態では液体ヘリウム槽６ｄに液体ヘリウムが保持されている。
【００２３】
ＧＭ冷凍機４は公知の２段式のＧＭ冷凍機であり、例えば本出願人が先に出願した特開２０１１−１９０９５３号公報に記載の技術を使用して構成されてもよい。ＧＭ冷凍機４のコールドヘッドの第１段冷却ステージ４ａはシールド６ｂと機械的に結合され、第２段冷却ステージ４ｂは液体ヘリウム槽６ｄのうち液体ヘリウムの液面よりも上の部分、すなわち気体側に露出する。
【００２４】
ＭＲＩシステム２の稼動状態において、筐体６ａの温度は常温すなわち３００Ｋ（ケルビン）程度であり、シールド６ｂの温度はＧＭ冷凍機４の冷却作用により４０Ｋ〜５０Ｋに維持される。第２段冷却ステージ４ｂは蒸発したヘリウムを再凝縮（液化）することで、液体ヘリウム槽６ｄの圧力を既定値以下に維持する。
【００２５】
液体ヘリウム槽６ｄの上部には、液体ヘリウム槽６ｄの圧力（以下、ヘリウム内圧と称す）を測定するための圧力センサ６ｅが取り付けられている。第１段冷却ステージ４ａには、第１段冷却ステージ４ａの温度（以下、第１段温度と称す）を測定するための第１段温度センサ６ｆが取り付けられている。第１段温度はシールド６ｂの温度に相当する。第２段冷却ステージ４ｂには、第２段冷却ステージ４ｂの温度（以下、第２段温度と称す）を測定するための第２段温度センサ６ｇが取り付けられている。
【００２６】
高圧フレキシブル配管８は、圧縮機１０からＧＭ冷凍機４へ高圧の動作ガス、例えばヘリウムガスを供給する。低圧フレキシブル配管９は、ＧＭ冷凍機４から圧縮機１０へ低圧のヘリウムガスを供給する。
【００２７】
圧縮機１０は、低圧フレキシブル配管９を通じてＧＭ冷凍機４から戻ってくるヘリウムガスを圧縮し、圧縮されたヘリウムガスを高圧フレキシブル配管８を通じてＧＭ冷凍機４に供給する。圧縮機１０は、高圧フレキシブル配管８が接続される高圧ポート１０ａと、低圧フレキシブル配管９が接続される低圧ポート１０ｂと、圧縮機１０の外部の冷却水循環装置（不図示）から冷却水や不凍液などの冷却液体を受け入れるための冷却水流入ポート１０ｃと、圧縮機１０から冷却水を排出するための冷却水流出ポート１０ｄと、を備える。各ポートは圧縮機１０の筐体に取り付けられている。
【００２８】
冷却水流入ポート１０ｃには冷却水サプライ配管５ａが接続される。低温・高圧の冷却水は、冷却水循環装置から冷却水サプライ配管５ａ内を圧縮機１０に向けて流れ、冷却水流入ポート１０ｃを通過して圧縮機１０内部に入る。冷却水流出ポート１０ｄには冷却水リターン配管５ｂが接続される。高温・低圧の冷却水は、圧縮機１０内部から冷却水流出ポート１０ｄを通過して冷却水リターン配管５ｂ内を冷却水循環装置に向けて流れる。
【００２９】
ＭＲＩクライオスタット６の第１通信ポート６ｈと、圧縮機１０の第２通信ポート１０ｅと、監視端末１００の通信ポートと、は互いに有線または無線のネットワークを介して接続されている。第１段温度や第２段温度といったＧＭ冷凍機４における測定情報、並びにヘリウム内圧や超伝導コイル６ｃに流れる電流値等のＭＲＩシステム２内部の測定情報は電気信号の形で第１通信ポート６ｈから監視端末１００に伝達される。
【００３０】
監視端末１００は受信した情報に基づくＭＲＩシステム２の状態をディスプレイに表示させる。オペレータは監視端末１００を通じてＭＲＩクライオスタット６や圧縮機１０のオンオフや動作を制御する。
【００３１】
図２は、圧縮機１０の構成図である。圧縮機１０は、圧縮カプセル１１と、水冷式熱交換器１２と、高圧側配管１３と、低圧側配管１４と、オイルセパレータ１５と、アドソーバ１６と、ストレージタンク１７と、バイパス機構１８と、制御部５８と、を含む。圧縮機１０は、ＧＭ冷凍機４から低圧フレキシブル配管９を介して戻される低圧のヘリウムガスを圧縮カプセル１１で昇圧し、高圧フレキシブル配管８を介して再びＧＭ冷凍機４に供給する。
【００３２】
ＧＭ冷凍機４から戻ってくるヘリウムガスは、低圧フレキシブル配管９を介して先ずストレージタンク１７に流入する。ストレージタンク１７は、戻ってくるヘリウムガスに含まれる脈動を除去する。ストレージタンク１７は比較的大きな容量を有しているため、ヘリウムガスをストレージタンク１７内に導入することにより脈動を軽減または除去することができる。
【００３３】
ストレージタンク１７で脈動が軽減または除去されたヘリウムガスは、低圧側配管１４に導出される。低圧側配管１４は圧縮カプセル１１に接続されており、よってストレージタンク１７において脈動が軽減または除去されたヘリウムガスは圧縮カプセル１１に供給される。
【００３４】
圧縮カプセル１１は、例えばスクロール方式あるいはロータリ式のポンプであり、低圧側配管１４のヘリウムガスを圧縮して昇圧する。圧縮カプセル１１は、昇圧されたヘリウムガスを高圧側配管１３Ａ（１３）に送り出す。ヘリウムガスは圧縮カプセル１１で昇圧される際、圧縮カプセル１１内のオイルが若干混入した状態で高圧側配管１３Ａ（１３）に送り出される。
【００３５】
圧縮カプセル１１は、オイルを用いて冷却を行う構成とされている。このため、オイルを循環させるオイル冷却配管３３は、水冷式熱交換器１２に含まれるオイル熱交換部２６に接続される。また、オイル冷却配管３３には、内部を流れるオイル流量を制御するオリフィス３２が設けられている。
【００３６】
水冷式熱交換器１２は、圧縮カプセル１１におけるヘリウムガスの圧縮の際に発生する熱（以下、圧縮熱と称す）を圧縮機１０の外部へ放出するための熱交換を実現する。水冷式熱交換器１２は、オイル冷却配管３３を流れるオイルの冷却処理を行うオイル熱交換部２６と、昇圧されたヘリウムガスを冷却するガス熱交換部２７と、を有している。
【００３７】
オイル熱交換部２６は、オイルが流れるオイル冷却配管３３の一部２６Ａと、冷却水が流れる第１冷却水配管３４と、を有し、それらの配管の間で熱交換が行われるよう構成される。圧縮カプセル１１からオイル冷却配管３３へ排出されるオイルは圧縮熱により高温となっている。そのような高温のオイルがオイル熱交換部２６を通過すると、熱交換によりオイルの熱が冷却水に移送され、オイル熱交換部２６を出るオイルの温度はオイル熱交換部２６に入るオイルの温度よりも低くなる。すなわち、圧縮熱はオイル冷却配管３３を流れるオイルを介して冷却水に移送され、外部に排出される。
【００３８】
ガス熱交換部２７は、高圧のヘリウムガスが流れる高圧側配管１３Ａの一部２７Ａと、冷却水が流れる第２冷却水配管３６と、を有する。ガス熱交換部２７について、オイル熱交換部２６と同様に、圧縮熱は高圧側配管１３Ａ（１３）内を流れるヘリウムガスを介して冷却水に移送され、外部に排出される。
【００３９】
第１冷却水配管３４と第２冷却水配管３６とは直列に接続される。第１冷却水配管３４の一端は水冷式熱交換器１２の冷却水受け入れポート１２Ａとして機能する。第１冷却水配管３４の他端は第２冷却水配管３６の一端と接続される。第２冷却水配管３６の他端は水冷式熱交換器１２の冷却水排出ポート１２Ｂとして機能する。
【００４０】
圧縮機１０は、冷却水流入ポート１０ｃと冷却水受け入れポート１２Ａとを接続する第１配管４２と、冷却水流出ポート１０ｄと冷却水排出ポート１２Ｂとを接続する第２配管４４と、を備える。
【００４１】
計測ユニット６０は第２配管４４に設けられている。計測ユニット６０は冷却水流出ポート１０ｄから流出する冷却水の流量（以下、排出冷却水流量と称す）および温度（以下、排出冷却水温度と称す）を計測し、制御部５８に報告する。
【００４２】
圧縮カプセル１１で昇圧され、ガス熱交換部２７で冷却されたヘリウムガスは、高圧側配管１３Ａ（１３）を介してオイルセパレータ１５に供給される。オイルセパレータ１５ではヘリウムガスに含まれるオイルが分離されると共に、オイルに含まれる不純物や塵埃も除去される。
【００４３】
オイルセパレータ１５でオイル除去が行われたヘリウムガスは、高圧側配管１３Ｂ（１３）を介してアドソーバ１６に送られる。アドソーバ１６は、ヘリウムガスに含まれる残留オイルを除去するためのものである。そして、アドソーバ１６において残留オイルが除去されると、ヘリウムガスは高圧フレキシブル配管８に導出され、これによりＧＭ冷凍機４に供給される。
【００４４】
アドソーバ１６と高圧ポート１０ａとの間の配管には、圧縮機１０から出て行くヘリウムガスの温度（以下、吐出ガス温度と称す）を測定するための吐出ガス温度センサ４８が取り付けられている。吐出ガス温度センサ４８は吐出ガス温度を測定し、制御部５８に報告する。
【００４５】
バイパス機構１８は、バイパス配管１９、高圧側圧力検出装置２０、およびバイパス弁２１を有する。バイパス配管１９は、高圧側配管１３Ｂと低圧側配管１４とを連通する配管である。高圧側圧力検出装置２０は、高圧側配管１３Ｂ内のヘリウムガスの圧力（以下、高圧側圧力と称す）を検出し、制御部５８に報告する。バイパス弁２１は、バイパス配管１９を開閉する電動弁装置である。また、バイパス弁２１は常閉弁とされているが、高圧側圧力検出装置２０により駆動制御される構成とされている。
【００４６】
具体的には、高圧側圧力検出装置２０がオイルセパレータ１５からアドソーバ１６に至るヘリウムガスの圧力（即ち、高圧側圧力）が既定圧力以上になったことを検出した際、バイパス弁２１は高圧側圧力検出装置２０に駆動されて開弁される構成とされている。これにより、既定圧力以上のサプライガスがＧＭ冷凍機４に供給される可能性が低減される。
【００４７】
オイル戻り配管２４は、高圧側がオイルセパレータ１５に接続されており、低圧側が低圧側配管１４に接続されている。また、オイル戻り配管２４の途中には、オイルセパレータ１５で分離されたオイルに含まれる塵埃を除去するフィルタ２８と、オイルの戻り量を制御するオリフィス２９が設けられている。
【００４８】
圧縮機１０の筐体の内側には、圧縮機１０の内部の温度（以下、圧縮機内部温度と称す）を測定するための圧縮機内部温度センサ５０が取り付けられている。圧縮機内部温度センサ５０は圧縮機内部温度を測定し、制御部５８に報告する。
【００４９】
制御部５８は、冷却システムの状態を監視することで圧縮機１０やＧＭ冷凍機４の異常停止を予測し、予測結果に基づく故障警告をネットワークを介して監視端末１００に提供する。制御部５８は、冷却システムの状態を表す異なる複数のパラメータの測定データに多変量解析を施し、その結果に基づいて異常停止を予測する。
【００５０】
特に本実施の形態では、制御部５８で実行される多変量解析として、ＭＴ（マハラノビス・タグチ）システムが採用される。ＭＴシステムでは、正常な状態や平均的な状態は振る舞いが似通っていると仮定される。この仮定により、正常なパターンまたは傾向を定義する。一方、異常な状態や平均的でない状態は何が起こるか不明なことから、不確定な振る舞いとなり、パターンまたは傾向を定義できない。これを利用して、定義した正常なパターンと現在の状態とを比較し、それらのズレの度合いを用いて現在の状態の正常・異常を識別する方法である。
ＭＴシステムは、片側Ｔ法と、両側Ｔ法と、複数Ｔ法と、ＭＴ法と、を含む。
【００５１】
図３は、ＭＴシステムの概念を示す模式図である。ＭＴシステムでは、正常な状態や平均的な状態のデータを比較的多く集めることで、多次元空間に境界線を定義する。そのように定義された正常な状態のパターンから「ズレている距離」を使用して、どの程度異常に近いかを判断することができる。具体的には、正常な状態指標５４の集団から境界５２を定義する。そして、境界５２から逸脱した状態指標５６については、異常または異常により近いと判定する。
【００５２】
図４は、制御部５８の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。
【００５３】
制御部５８は、測定値取得部１０２と、解析部又は状態指標算出部１０４と、警告判定部１０６と、警告通知部１０８と、標準データ更新部１１０と、標準データ保持部１１２と、ログ保持部１１４と、を含む。
【００５４】
標準データ保持部１１２は、冷却システムの状態が正常または平均的であるときの各パラメータの測定値を保持する。標準データ保持部１１２は、圧縮機１０の出荷前にプリインストールされ、後述の標準データ更新部１１０によって必要に応じて更新される。冷却システムの製造者は、出荷前の冷却システムの試運転中に標準データ保持部１１２に登録すべきデータを取得してもよいし、圧縮機１０と同型機種の圧縮機が既に他のシステムで使用されている場合はそのデータを援用することで標準データ保持部１１２に登録すべきデータを取得してもよい。
【００５５】
図５は、標準データ保持部１１２の一例を示すデータ構造図である。標準データ保持部１１２は、時刻と、吐出ガス温度と、圧縮機内部温度と、排出冷却水流量と、排出冷却水温度と、高圧側圧力と、ヘリウム内圧と、第１段温度と、第２段温度と、電源から圧縮機１０に供給される電流と、電源から圧縮機１０に印加される電圧と、圧縮機１０の消費電力と、を対応付けて保持する。
【００５６】
図４に戻り、測定値取得部１０２は、定期的に圧縮機１０の各センサおよびＭＲＩクライオスタット６から各パラメータの測定値を取得する。測定値取得部１０２は、吐出ガス温度センサ４８から吐出ガス温度の測定値を、圧縮機内部温度センサ５０から圧縮機内部温度の測定値を、計測ユニット６０から排出冷却水流量および排出冷却水温度の測定値を、高圧側圧力検出装置２０から高圧側圧力の測定値を、ネットワークを介してＭＲＩ内部の測定値（例えば、液体ヘリウム槽６ｄの圧力（ヘリウム内圧）、超伝導コイル６ｃの温度など）を、第１段温度センサ６ｆからネットワークを介して第１段温度の測定値を、第２段温度センサ６ｇからネットワークを介して第２段温度の測定値を、圧縮機１０の不図示の電源制御ユニットから供給電流、供給電圧の測定値を、それぞれ受信する。測定値取得部１０２は、受信した測定値と測定時刻とを対応付けてログ保持部１１４に登録する。
【００５７】
状態指標算出部１０４は、測定値取得部１０２によって取得された測定値にＭＴシステムを適用することにより、状態指標（以下では、「判定値」と称することもある）を算出する。判定値は例えば、上述の「ズレている距離」（例えば、マハラノビス距離）、「ズレている距離」を表す値、又は、「ズレている距離」に基づき演算される値である。特に状態指標算出部１０４は、標準データ保持部１１２に保持されているデータを単位空間に設定し（例えば、単位空間データベースを生成し）、測定値取得部１０２によって取得された測定値の組を信号空間に設定する（例えば、信号空間データベースを生成する）。状態指標算出部１０４は、そのように設定された単位空間および信号空間から判定値として「ズレている距離」を算出する。状態指標算出部１０４は、算出された判定値と算出時刻とを対応付けてログ保持部１１４に登録する。
【００５８】
なお、状態指標算出部１０４が判定値を算出する際に、図５に示されるパラメータ全てを使用してもよいし、それらのうちの少なくとも２つを使用してもよい。どのパラメータを使用するかは、複数のパラメータを使用する限り、アプリケーションに合わせて適宜設定されればよい。
【００５９】
警告判定部１０６は、状態指標算出部１０４によって算出された判定値と所定の警告しきい値とを比較する。警告判定部１０６は、前者が後者よりも低い場合、冷却システムの故障に関する警告は不要と判定し、そうでない場合は警告が必要と判定する。
【００６０】
警告通知部１０８は、警告判定部１０６において警告が必要と判定された場合、ネットワークを介して監視端末１００に警告画面生成信号を送信する。監視端末１００は、警告画面生成信号を受信すると、冷却システムの故障に関する警告を表示する故障警告画面をディスプレイに表示させる。
【００６１】
標準データ更新部１１０は、ネットワークを介して標準データ保持部１１２の更新データを取得する。標準データ更新部１１０は、取得した更新データで標準データ保持部１１２を更新する。
【００６２】
図６は、算出された判定値による警告通知のタイミングを説明するための説明図である。図６のグラフの横軸は１年の１２ヶ月に対応し、縦軸は算出された判定値を表す。１年を通じて冷却システムに特に故障が生じなかった年のデータから算出された判定値は符号６２、６４、６６で示され、１２月に圧縮機１０の水冷式熱交換器１２の冷却水詰まりにより異常停止した年のデータから算出された判定値は符号６８で示される。
【００６３】
図６に示される通り、異常停止がある年の判定値の時系列データは、他の正常時のデータから徐々に乖離していくことが分かる。本実施の形態では、警告判定部１０６における警告しきい値を０．２に設定する（図６の一点鎖線）ことにより、異常停止が発生する約３ヶ月前にオペレータに故障に関する警告を通知することができる。
【００６４】
図７は、故障警告画面７０の代表画面図である。故障警告画面７０は、冷却システムの状態が異常停止に近づいていることをテキストで表示し、併せてオペレータに冷却システムのメンテナンスを促す。
【００６５】
図８は、制御部５８における一連の処理を示すフローチャートである。状態指標算出部１０４は、標準データ保持部１１２に保持される標準データから単位空間データベース（単位空間ＤＢとも称する）を生成する（Ｓ２０２）。状態指標算出部１０４は、測定値取得部１０２により取得された測定データから信号空間データベース（信号空間ＤＢとも称する）を生成する（Ｓ２０３）。状態指標算出部１０４は、単位空間ＤＢと信号空間ＤＢとから判定値を算出する（Ｓ２０４）。
【００６６】
警告判定部１０６は、算出された判定値が、警告しきい値より大きいか否かを判定する（Ｓ２０６）。判定値が警告しきい値以下である場合（Ｓ２０６のＮ）、処理は終了する。判定値が警告しきい値より大きい場合（Ｓ２０６のＹ）、警告通知部１０８はオペレータに故障に関する警告を通知するための処理を行う（Ｓ２０８）。
【００６７】
本実施の形態に係る冷却システムによると、冷却システムの状態を表す異なる複数のパラメータの測定値に対して多変量解析が実行され、その結果に基づいて冷却システムの故障予測および警告通知が行われる。したがって、１変数による故障予測と比較して予測の精度を高めることができる。また、多変量解析ではパラメータ間の相関を考慮に入れることができるので、異常の誤検知を抑制することができる。
【００６８】
また、本実施の形態に係る冷却システムによると、冷却システムの異常停止が発生する前の警告通知が可能となる。したがって、オペレータは異常停止が発生する前にＭＲＩシステム２の停止、メンテナンス計画を立てて実行できるので、オペレータ側の業務に与える支障が軽減される。
【００６９】
また、本実施の形態に係る冷却システムでは、多変量解析としてＭＴシステムが採用される。ＧＭ冷凍機４と圧縮機１０とを含む冷却システムの状態を表す異なる複数のパラメータ間の相関は比較的高い。例えば、圧縮機１０の冷却水の流入温度が上昇すると、排出冷却水温度や吐出ガス温度も上昇しうる。すると、ＧＭ冷凍機４の冷凍能力が低下して第１段温度やヘリウム内圧が上昇しうる。このような状況において、多変量解析のなかでもパラメータ間の相関を適切に考慮に入れることができるＭＴシステムを採用することで、冷却システムの突発的異常の発生をより的確に予測することができ、また誤検知のリスクを低減できる。
【００７０】
以上、実施の形態に係る冷却システムおよびそれを使用するＭＲＩシステム２について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００７１】
実施の形態では、ＧＭ冷凍機４を例として説明したが、これに限られない。例えば、冷凍機はＧＭ型またはスターリング型パルスチューブ冷凍機や、スターリング冷凍機や、ソルベー冷凍機であってもよい。
【００７２】
実施の形態では、冷却システムを使用するＭＲＩシステム２について説明したが、これに限られない。例えば、冷却システムは、超伝導マグネット、クライオポンプ、Ｘ線検出器、赤外線センサ、量子光子検出器、半導体検出器、希釈冷凍機、Ｈｅ３冷凍機、断熱消磁冷凍機、ヘリウム液化機、クライオスタット等における冷却手段または液化手段として使用されてもよい。
【００７３】
実施の形態では、外部から受け取るデータによって標準データ保持部１１２を更新する場合について説明したが、これに限られない。例えば、制御部は学習によって標準データ保持部を更新してもよい。この場合、冷却システムが使用される環境に特化した単位空間を形成することが可能となる。したがって、外部からのデータにより更新する場合と比較して、故障予測の精度を高めることができる。しかしながら、冷却システムがＭＲＩシステム２から別のシステムに移される等により環境が変化する場合、故障予測の精度は低くなる。すなわち、汎用性において劣る。
【００７４】
実施の形態では、ＭＲＩシステム２において超伝導コイル６ｃを液体ヘリウムに浸けることで超伝導コイル６ｃを低温に維持する場合について説明したが、これに限られない。例えば、超伝導コイルとＧＭ冷凍機の第２段冷却ステージとを直接熱的に接触させることで超伝導コイルを低温に維持してもよい（図９参照）。この場合、制御部５８はヘリウム内圧の代わりに超伝導コイルの温度を取得し、それをＭＲＩシステムの状態を表すパラメータのひとつとして採用してもよい。
【００７５】
実施の形態では、ＭＲＩシステム２を例として説明したが、これに限られない。実施の形態に係る冷却システムは、超伝導磁石システムなど任意の超伝導機器に適用されてもよい。
【００７６】
図９は、実施の形態に係る冷却システムを備える超伝導磁石システム６００の構成を例示する模式図である。本冷却システムは、図１に例示する実施の形態と同様に、ＧＭ冷凍機６７０、圧縮機１０、及び監視端末１００を備える。ＧＭ冷凍機６７０は、超伝導磁石システム６００を冷却するために設けられている。圧縮機１０は、ＧＭ冷凍機６７０と２本のフレキシブル配管８、９で接続されている。超伝導磁石システム６００の第１通信ポート６ｈと、圧縮機１０の第２通信ポート１０ｅと、監視端末１００の通信ポートと、は互いに有線または無線のネットワークを介して接続されている。
【００７７】
超伝導磁石システム６００は、真空容器６５１と、ＧＭ冷凍機６７０と、強磁場空間６６１に磁場を印加する超伝導磁石６６０とを有する。ＧＭ冷凍機６７０は、真空容器６５１内に設置された天板６５２に、コールドヘッドが垂下された状態で設置される。ＧＭ冷凍機６７０は、２段式のＧＭ冷凍機であっても良く、図９の例では、ＧＭ冷凍機６７０は、図１に示したＧＭ冷凍機４と同様の構成を有する。従って、ＧＭ冷凍機６７０の構成の詳細な説明は、省略する。
【００７８】
ＧＭ冷凍機６７０の第１段冷却ステージ６８５は、熱シールド板６５３により、超伝導磁石６６０の超伝導コイル６５５に電流を供給する酸化物超伝導電流リード６５８に、熱的機械的に接続されている。ＧＭ冷凍機６７０の第２段冷却ステージ６９５は、超伝導コイル６５５のコイル冷却ステージ６５４に、熱的機械的に接続されている。コイル冷却ステージ６５４は、超伝導コイル６５５に接触されており、第２段冷却ステージ６９５からの寒冷により、超伝導コイル６５５は、超伝導臨界温度以下に冷却される。
【００７９】
ある実施の形態においては、冷却システムは、ＭＴシステムによる監視及び／または診断に加えて、後述するように動作ガス（例えばヘリウムガス）のリーク及び／または圧縮機内の熱交換器の監視及び／または診断がなされるよう構成されていてもよい。あるいは、冷却システムは、ＭＴシステムによる監視及び／または診断に代えて、動作ガスリーク及び／または熱交換器の監視及び／または診断がなされるよう構成されていてもよい（つまり、動作ガスリーク及び／または熱交換器の監視及び／または診断のみが行われてもよい）。
【００８０】
制御部５８は、冷凍機（例えばＧＭ冷凍機４）または圧縮機（例えば圧縮機１０）における高圧側圧力及び低圧側圧力に基づいて動作ガスのリークを監視するよう構成されていてもよい。より具体的には、制御部５８は、リークが発生したか否かを、高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差、高圧側圧力、及び低圧側圧力の３つの圧力パラメタに基づいて判定してもよい。
【００８１】
冷却システムは、高圧側圧力検出装置２０に加えて、低圧側圧力検出装置を備えてもよい。低圧側圧力検出装置は、低圧側圧力（例えば、低圧側配管１４内の動作ガスの圧力）を検出し、制御部５８に報告するよう構成されている。あるいは、冷却システムは、高圧側圧力検出装置２０または低圧側圧力検出装置のいずれかに代えて、高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差を検出し、制御部５８に報告する圧力差検出装置を備えてもよい。
【００８２】
制御部５８は、次の２つの現象のうちいずれかを検知した場合にガスリークが発生したと判定してもよい。
現象１．高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差が小さくなり、高圧側圧力が小さくなり、及び低圧側圧力が小さくなる。このように、３つの圧力パラメタが実質的に同時に低下した場合、リークが発生していると判定することができる。
現象２．高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差が大きくなり、高圧側圧力が小さくなり、及び低圧側圧力が小さくなる。これらの圧力変動が実質的に同時に検出された場合、低圧側ガスラインのいずれかの場所でリークが発生していると判定することができる。
【００８３】
現象１に類似する現象は、冷凍機の定常的な冷却運転（例えば、所与の極低温を維持する継続的な冷却運転）中だけでなく、クールダウン運転（例えば、室温から定常運転の冷却温度への急速な冷却運転）中にも起こり得る。そこで、制御部５８は、定常的な冷却運転中において現象１及び現象２のいずれかを検知した場合にガスリークが発生したと判定してもよい。
【００８４】
現象１及び／または現象２を検知するための圧力しきい値は、例えば約０．５ＭＰａ以上の値に設定されていてもよい。例えば、制御部５８は、３つの圧力パラメタそれぞれの低下量がこのしきい値を実質的に同時に超えるとき現象１を検知してもよい。
【００８５】
制御部５８は、動作ガスリークが発生したと判定した場合には、その旨の警告を生成してもよい。
【００８６】
制御部５８は、圧縮機内の熱交換器（例えば、オイル熱交換部２６、またはガス熱交換部２７）の熱交換効率を当該熱交換器における冷却流体と被冷却流体との温度差に基づいて監視してもよい。冷却システムは、冷却流体の温度を測定する温度センサと、被冷却流体の温度を測定する温度センサと、を備えてもよい。制御部５８は、測定される温度差がある温度しきい値を超える場合に、熱交換効率が低下したと判定し、必要に応じて警告を生成してもよい。
【００８７】
例えば、制御部５８は、オイル熱交換部２６の熱交換効率が低下したか否かを、オイル出口温度と冷却水入口温度の温度差に基づいて判定してもよい。圧縮機１０は、オイル温度センサと冷却水温度センサとを備えてもよい。オイル温度センサは、オイル冷却配管３３において、圧縮カプセル１１からのオイル出口とオイル熱交換部２６へのオイル入口との間の部分に設けられてもよい。冷却水温度センサは、冷却水流入ポート１０ｃと冷却水受け入れポート１２Ａとを接続する第１配管４２に設けられてもよい。温度しきい値は、およそ２０〜３０℃であってもよい。
【００８８】
なお、熱交換効率を低下させうる一つの原因は冷却水の水質（例えば低品質）にある。冷却水の一部が熱交換器内部で滞留し、ゲル状の物質を形成し、その大きさによって部分的に熱交換が阻害されうる。ゲル状物質がある大きさに成長すると、冷却水の流れが制限されうる。さらにはゲル状物質により導管が閉塞され、冷却水が流れなくなるかもしれない。ゲル状物質に代えて又はそれとともに、硬い物質（スケールとも呼ばれる）が導管内面に付着することもある。また、冷却水に接触する熱交換面に薄いゲル質の膜が形成され、その厚さによって部分的に熱交換が阻害されうる。
【符号の説明】
【００８９】
２  ＭＲＩシステム、  ４  ＧＭ冷凍機、  ６  ＭＲＩクライオスタット、  １０  圧縮機、  ５８  制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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