(57)【要約】  故障許容極低温冷却システムは、その内部容積に真空領域を画定する外側真空室（１４）と、極低温冷却装置（１７）と、真空領域内に収容された、被冷却機器と、真空領域内に画定されかつ冷却剤（４６）を含む自由容積と、自由容積に曝されかつ被冷却機器に熱結合された低温プレート（４０）と、極低温冷却装置の最も低温の段（２６）に熱結合されかつ自由容積に曝された熱交換機と、バッファ容積（３４）を画定する冷却剤バッファ容器（３０）と、バッファ容積（３４）を自由容積に接続する通路（３２）と、を備える。
2020531787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
故障許容極低温冷却システムであって、
その内部容積に真空領域を画定する外側真空室（１４）と、
極低温冷却装置（１７）と、
前記真空領域内に収容された、被冷却機器と、
前記真空領域内に画定されかつ冷却剤（４６）を含む自由容積と、
該自由容積に曝されかつ前記被冷却機器に熱結合された低温プレート（４０）と、
前記極低温冷却装置（１７）の最も低温の段（２６）に熱結合されかつ前記自由容積に曝された熱交換機と、
バッファ容積（３４）を画定する冷却剤バッファ容器（３０）と、
前記バッファ容積（３４）を前記自由容積に接続する通路（３２）と、を備える、
故障許容極低温冷却システム。
【請求項２】
前記冷却剤バッファ容器（３０）は、前記外側真空室（１４）の外部にある、請求項１記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項３】
前記冷却剤バッファ容器（３０）は、前記外側真空室（１４）の内部にある、請求項１記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項４】
前記冷却剤バッファ容器（３０）は、前記外側真空室（１４）の内部にあり、冷却剤容器（１２）と前記外側真空室（１４）との間の真空空間に設けられた熱放射シールド（１６）に熱結合されている、請求項１記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項５】
前記低温プレート（４０）の上面は、テクスチャを有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項６】
前記低温プレート（４０）には、該低温プレート（４０）と熱接触する冷却剤ガス熱交換機（４２）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項７】
前記冷却剤ガス熱交換機（４２）は、前記低温プレート（４０）に取り付けられたフィンを有する、請求項６記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項８】
前記低温プレート（４０）と熱接触してかつ前記被冷却機器と熱接触して、熱伝導性サーマルバス（４８）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項９】
前記極低温冷却装置は、２段冷却装置であり、前記熱交換機は、前記極低温冷却装置の第２の段によって冷却される、請求項１から８までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項１０】
前記極低温冷却装置（１７）は、前記真空領域内にある冷却装置ソック（１５）内に部分的に収容されており、前記冷却装置ソックの内部は、前記低温プレート（４０）に関連した自由容積を画定している、請求項１から９までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項１１】
前記極低温冷却装置（１７）は、前記真空領域内にある冷却装置ソック（１５）内に部分的に収容されており、前記冷却装置ソックの内部は、遠隔沸騰チャンバ（５０）の内部と流体連通しており、前記遠隔沸騰チャンバ（５０）自体は、冷却剤含有容器および前記低温プレート（４０）を有し、前記自由容積は、前記冷却装置ソックの内部と、前記遠隔沸騰チャンバの内部と、それらの間の流体連通部の内部とを含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項１２】
前記極低温冷却装置（１７）は、前記真空領域内に部分的に収容されており、前記冷却装置ソックの最も低温の段（２６）は、それ自体が冷却剤含有容器および前記低温プレート(４０)を有する沸騰ユニット（５６）の内部容積（５８）に曝された熱交換機（６２）と熱結合しており、前記自由容積は、前記沸騰ユニット（５６）の内部容積（２８）を含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸点において冷却剤によって冷却される、被冷却機器に関する。
【０００２】
特に、本発明は、能動的に冷却される小さな体積の冷却剤によって極低温に維持される、被冷却機器に関する。好ましい実施の形態において、被冷却機器は、ＭＲＩシステム用の超電導磁石である。
【０００３】
本文書における以下の用語は、以下のように解釈されてもよい。
【０００４】
アップタイム：被冷却機器がエンドユーザのために作動状態にある時間
【０００５】
ダウンタイム：被冷却機器がエンドユーザのために作動状態にない時間
【０００６】
ライド・スルー：能動的な冷却に失敗したが、被冷却システムが冷却された状態を維持している時間。超電導磁石に関して、電流は、ライド・スルーの間、超電導コイルにおいて流れ続ける。磁石は、液体冷却剤の沸騰によって、冷却された状態に維持されてもよい。
【０００７】
超電導磁石において磁石電流が維持されていたならば、能動的冷却が回復したとき、ダウンタイムは終了し、アップタイムが開始する。ダウンタイムは、好ましくはできるだけ短く、好ましくは１時間未満に維持される。
【０００８】
磁石電流が停止したとき、または磁石がクエンチしたまたは著しく温まったとき、ライド・スルーは終了する。クエンチまたは著しい温まりの場合、結果的なダウンタイムは、１時間よりも大幅に長くなる。ダウンタイムは、最終的に顧客の財政的パフォーマンスに影響を与えるので回避される必要がある。
【０００９】
図１は、冷却剤容器１２を有するクライオスタットの従来の構成を示している。冷却剤容器１２内には、ＭＲＩシステム用の被冷却超電導磁石１０が設けられており、冷却剤容器１２自体は、その内部容積において真空領域を画定する外側真空室（ＯＣＶ）１４内に保持されている。冷却剤容器１２と外側真空室１４との間の真空空間には、１つまたは複数の熱放射シールド１６が設けられている。幾つかの公知の構成において、クライオスタットの側に向かって、その目的のために設けられたタレット１８に配置された冷却装置ソック１５に、冷却装置１７が取り付けられている。代替的に、冷却装置１７は、クライオスタットの上部に取り付けられたアクセスネック（ベントチューブ）２０を保持するアクセスタレット１９内に配置されていてもよい。冷却装置１７は、冷却剤容器１２内の冷却剤ガスを、幾つかの構成においてこの低温ガスを再び液体に凝縮させることによって冷却するために能動的な冷却を提供する。冷却装置１７は、放射シールド１６を冷却するために機能してもよい。図１に示したように、冷却装置１７は、２段冷却装置であってもよい。第１の冷却段は、放射シールド１６に熱結合させられており、典型的には２５〜１００Ｋの領域の第１の温度への冷却を提供する。第２の冷却段は、典型的には２．５〜１０Ｋの領域の大幅により低い温度への冷却剤ガスの冷却を提供する。
【００１０】
別のベント経路（「補助ベント」）（図１には示されていない）が、ベントチューブ２０の閉塞の場合のフェールセーフベントとして設けられていてもよい。
【００１１】
近年、このようなクライオスタットにおいて要求される冷却剤の量を減じるための開発がなされてきた。これは、特に、ヘリウム冷却剤の場合であった。なぜならば、ヘリウムは希少で高価であるからである。冷却剤容器１２に比較的少ない量の冷却剤を含む幾つかのクライオスタットが提案されてきた一方、冷却剤容器を完全に省略し、冷却剤と被冷却機器との直接接触に依存しない別のクライオスタットが提案されてきた。このような構成は、「ドライ」クライオスタットまたは「ドライ」磁石と呼ばれることがあるが、ある程度の冷却剤液体は、関連する冷却構成において利用されてもよい。
【００１２】
（「冷却剤インベントリ」として知られる）クライオスタットにおける冷却剤材料の量を減じることは、被冷却機器の熱慣性を減じることにつながる。例えば、大きな体積の液体冷却剤が冷却剤容器に提供されており、被冷却機器に冷却を提供する場合、被冷却機器は、冷却装置１７などの能動的冷却装置が、例えば、冷却装置自体の故障によりまたは電源の故障、または冷却装置によって要求される圧縮機への冷却水などのその他のサービスの故障により故障した場合でさえも、全ての冷却剤が沸騰するまで冷却剤の沸点の温度にとどまる。他方、小さな体積の液体冷却剤のみが提供されている場合、被冷却機器は、全ての冷却剤が沸騰するまで短時間しか冷却剤の沸点の温度にとどまらない。
【００１３】
熱慣性のこのような減少は、「アップタイム」、すなわち使用するための被冷却機器の利用可能性の減少につながる。なぜならば、冷却装置１７などの能動的冷却装置に対するあらゆる妨害は、全ての冷却剤が沸騰した後まで継続しがちであり、被冷却機器の温度の上昇につながるからである。前記のような減じられた冷却剤インベントリは、被冷却機器が冷却剤の沸点よりも温まることなく、能動的な冷却の短期の故障に耐えるための、被冷却機器の能力を低下させる。従来、大きな体積の冷却剤が冷却剤容器において使用されていた場合、被冷却機器は、対応して、極めて大きな熱慣性を有していた。冷却装置１７などの能動的冷却装置におけるあらゆる不信頼性は、システムが大きな熱慣性を有する場合には許容されてもよいが、必然的に、小さな熱慣性を有するシステムの場合、被冷却機器の加熱のリスクを生じる。
【００１４】
大きな質量の冷却剤を提供することによって大きな熱慣性を提供することの欠点は、冷却剤の沸騰によって行われる冷却が、冷却剤の損失を意味することがあり、冷却剤が、大きな出費を伴って交換されなければならないということである。
【００１５】
慣用的に、低い熱慣性の構成は、様々な方法で能動的冷却の失敗に対処してきており、そのうち幾つかをここで説明する。システムは、安全に故障することが許容されてもよい。例えば、ＭＲＩのために使用される小さな超電導磁石は、クエンチし、後で再冷却されることがあるが、これは、著しいダウンタイムを生じる。著しく上昇した温度、例えば、〜６０Ｋからの磁石の再冷却を達成するために、２４時間より長くかかる可能性がある。電流は、磁石に再導入されなければならず、磁石を再び稼働させることができる前に様々な作動チェックを行う必要があり、したがって、このオプションは手軽に引き受けられるべきではない。被冷却機器は、自動的に安全モードに配置されてもよい。例えば、より大きなＭＲＩ磁石は、冷却故障が生じたとき、制御された形式で自動的に消磁されてもよい。これは、著しいダウンタイムを生じる。なぜならば、磁石に新たな量の冷却剤が提供されなければならず、磁石が、上昇した温度から冷却されなければならないからである。しかしながら、このようなケースにおける磁石ダウンタイムは、前述のオプションの場合より短いべきである。なぜならば、制御された形式において磁石を消磁することは、貯蔵されたエネルギーを、磁石を加熱するために放散させられるのではなく、抽出させるからである。磁石は、前の例よりも低い温度にとどまるが、冷却されないままにしておくと、数日にわたってゆっくりと温まることがある。磁石がクエンチすることが許容される場合、磁石エネルギーに蓄えられたエネルギーは、熱として磁石内へ解放され、冷却によって抽出されなければならない。他の能動的冷却装置の故障の場合に能動的冷却を提供するために、例えば、冗長極低温冷却装置、バックアップ水源および電源などの、バックアップ・サイト・インフラストラクチャが設けられていてもよい。別のまたは代替的な構成は、任意の熱流入のための温度上昇率を減じるために機能する熱慣性を付加するために、構造内に高熱容量材料を有することである。
【００１６】
提案されたソリューションはこれまで、実行するのが高価となる傾向がある、または依然として長期間のダウンタイムを生じる、またはその両方である。
【００１７】
本発明は、極低温冷却装置などの、関連する能動的冷却装置の短期故障に耐えることができる、独立した故障許容システムを提供することによって、低い熱慣性の被冷却機器の能動的冷却における故障許容の問題を解決することである。
【００１８】
以下の従来技術文献は、本発明に技術的背景を提供する：米国特許第６８０７８１２号明細書、米国特許出願公開第２００８／０２１６４８６号明細書、米国特許出願公開第２０１５／０２３３６０９号明細書、米国特許出願公開第２０１７／００３８１００号明細書、中国特許出願公開第１０６６８３８２１号明細書、「Cool-down acceleration of G-M cryocoolers with thermal oscillations passively damped by helium」, R J Webber and J Delmas, IoP Conf.Series:Materials Science and Engineering 101(2015)012137 doi:10.1088/1757-899X/101/1/012137。
【００１９】
本発明は、したがって、添付の請求項に定義されたような故障許容極低温冷却システムを提供する。
【００２０】
本発明の上記の目的、利点および特徴ならびにその他の目的、利点および特徴は、添付の図面に関連した本発明の複数の実施の形態の以下の説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】液体冷却剤における部分的浸漬によって被冷却超電導磁石の従来の構成を示している。
【図２】本発明の第１の典型的な実施の形態を示している。
【図３】本発明の第２の典型的な実施の形態を示している。
【図４】本発明の第３の典型的な実施の形態を示している。
【００２２】
本発明の第１の典型的な実施の形態が、図２に示されている。極低温冷却装置１７は、図１に関して説明するように、外側真空室１４内、この実施の形態ではタレット１８内の冷却装置ソック１５に配置されている。この実施の形態において、それ自体慣用的であるように、極低温冷却装置１７は、２５〜８０Ｋの範囲であってもよい第１の極低温に冷却される第１の段２４を有する２段冷却装置である。図２には示されていないが、第１の冷却段２４は、図１に示された熱放射シールド１６に熱結合されていてもよい。極低温冷却措置は、使用される冷却剤の沸点未満の温度に冷却する第２の段２６も有する。本明細書において、冷却剤の一例としてヘリウムが使用されるが、被冷却機器に適した沸点において温度調整を提供するためにその他の冷却剤が使用されてもよい。ＭＲＩシステム用の超電導磁石は、一般的に、ヘリウムの沸点に近い転移温度を有する超伝導体を使用して製造されるので、ヘリウムがこのような場合に使用するための適切な冷却剤である。より高い超電導転移温度を有するその他のタイプの超伝導体が公知である。このようなその他の超伝導体を含む機器のために、例えば、水素またはネオンなどのその他の冷却剤がより適していることがある。
【００２３】
例示した実施の形態において、冷却装置ソック１５は、冷却装置の第１の段２４と熱接触した、第１段熱インターセプト２８を有する。冷却装置ソック１５は、特に、第１段熱インターセプト２８の上側の上側チャンバ１５ａと、第１段熱インターセプト２８の下側の下側チャンバ１５ｂとに分割されていてもよい。上側チャンバ１５ａと下側チャンバ１５ｂとは流体連通している。
【００２４】
本発明のこの実施の形態の１つの特徴によれば、冷却装置ソック１５の外にかつ外側真空室（ＯＶＣ）１４の外に、冷却剤バッファ容器３０が設けられている。通路３２は、冷却剤バッファ容器３０内のバッファ容積３４を、冷却装置ソック１５の内部に接続している。冷却剤をバッファ容積３４および冷却装置ソック１５へ導入しかつこれらから除去させるために、弁３６が通路３２に設けられていてもよい。冷却剤ガスの過圧の場合にバッファ容積３４および冷却装置ソック１５からの冷却剤の排出を許容するために、バーストディスク３８が設けられていてもよい。バッファ容器３０の提供は、通路３２の付加を要求し、通路３２は、関連する熱伝導を最小限に減じるために適切な温度において低い熱伝導率であるように選択されてもよい。通路３２は、当該セクションのための重要な関連した温度における低い熱伝導率をそれぞれが有する、異なる材料の２つ以上のセクションから構成されていてもよい。
【００２５】
本発明のこの実施の形態の別の特徴によれば、下側チャンバ１５ｂには、低温プレート４０と、冷却剤ガス熱交換機４２とが設けられている。所定の量の液体冷却剤４６が、低温プレート４０、より一般的には下側チャンバ１５ｂに存在する。冷却剤ガス熱交換機４２は低温プレート４０と熱接触しており、液体冷却剤４６の上側の、下側チャンバ１５ｂにおける冷却剤ガス内へ突出している。
【００２６】
複数の実施の形態において、冷却剤と接触する面において、低温プレートにテクスチャ面を提供することが好ましい。このようなテクスチャは、減じられた温度降下で、低温プレートから冷却剤への熱エネルギーｑの同じ伝達率を可能にするために、沸騰性能を高めることが分かった。これは、機器が、機器の作動温度範囲内で冷却させられることを維持しながら、より多くの熱を抽出することができることを意味する。「テクスチャ」面は、液体冷却剤と接触する表面積を増大させるあらゆる表面処理を有してもよい。その例は、表面に適用された表面粗さ、突出部および凹部、フィン、スリットまたは孔を含む。
【００２７】
ガス熱交換機４２は、低温プレート４０に取り付けられているが、液体冷却剤の最大レベルより上方へ突出している。これは、低温プレート４０と冷却剤ガスとの間の熱交換を可能にし、これにより、特にシステムが単相の気体の冷却剤を用いて作動するときには冷却率を向上させ、これは、一般的に、低温プレート４０および極低温冷却装置１７がまだ冷却剤４６の沸点まで冷却されていない間の初期冷却中のケースである。
【００２８】
アルミニウムまたは銅などの熱伝導性材料のサーマルバス４８が設けられている。サーマルバス４８は、低温プレート４０と熱接触しておりかつ例示されていないが、例えば超電導磁石であってもよい、被冷却アイテムと熱接触している。熱エネルギーｑの流れは、被冷却アイテムから低温プレートへ進み、低温プレートにおいて、熱エネルギーｑは、液体冷却剤４６の沸騰によって除去される。沸騰した冷却剤ガスは、下側チャンバ１５ｂ内を循環し、極低温冷却装置１７の第２の段２６によって冷却される。極低温冷却装置１７の第２の段２６は、好ましくは、大きな表面積の熱交換機を有する。例えば、熱交換機にはフィンが設けられていてもよい。極低温冷却装置１７の第２の段２６は、冷却剤の沸点より低い温度に冷却され、冷却剤ガスは、第２の段２６の熱交換機の表面において、再び液体に凝縮させられる。凝縮した冷却剤は液滴を形成し、液滴は、低温プレート上へ滴下する。
【００２９】
液体冷却剤の沸騰に加え、熱エネルギーｑの一部は、液体冷却剤のレベルの上方へ延びた、低温プレートに取り付けられたフィンの形式を成していてもよい、ガス熱交換機４２によって、低温プレート４０から直接的に気体冷却剤へ移動させられてもよい。
【００３０】
通常作動において、ヘリウム４６の沸騰および再凝縮は、熱エネルギーｑを低温プレート４０から極低温冷却装置１７の第２の段２６へ移動させる。これにより、熱エネルギーｑは、被冷却アイテムから引き出され、ほぼ冷却剤の沸点の温度が、被冷却アイテムにおいて維持されてもよい。
【００３１】
しかしながら、例えば、電源の故障による、極低温冷却装置１７の故障の場合、ヘリウムの再凝縮が停止する。液体ヘリウム４６は沸騰し、被冷却アイテムから熱エネルギーｑを引き出す。液体ヘリウムが沸騰するので、存在するヘリウムの合計質量が気体になりながら、下側チャンバ１５ｂ内の冷却剤ガスの圧力が上昇する。冷却剤の質量の一部は、冷却剤ガス圧力が上昇するので、上側チャンバ１５ａ内へ移動する。同様に、冷却剤の質量の一部は、通路３２を通って、冷却剤バッファ容器３０のバッファ容積３４内へ流入する。冷却剤ガス熱交換機４２は、低温プレート４０から冷却剤ガスへの熱エネルギーの移動を促進し、ある程度まで、被冷却機器の継続した冷却を許容する。
【００３２】
能動的な冷却に失敗したとき、冷却装置１７は、その構成部材の熱伝導性によって温まり始め、それが、ひいては冷却装置ソック１５における冷却剤ガスを温める。これは、ソック１５における冷却剤ガスの温度成層を生じ、冷却装置１７と低温プレート４０との間の対流質量流が停止する。
【００３３】
バッファ容積３４と、通路３２と、冷却装置ソック１５内の自由容積とに提供された冷却剤の質量は、沸騰によって有効な程度の冷却を提供するように選択され、これは、典型的な電源故障よりも長く続き、例えば、約１０分〜１時間続く。この冷却を達成するために要求される冷却剤の質量は、もちろん、クライオスタットへの熱流入に依存する。冷却剤バッファ容器３０内の冷却剤ガスの圧力は、その容器と、通路３２と、冷却装置ソック１５における自由容積との寸法および冷却剤バッファ容器３０と、通路３２と、冷却装置ソック１５とに存在する冷却剤４６の質量に依存する。バーストディスク３８が設けられている場合、バーストディスク３８は、冷却剤バッファ容積３０、通路３２および冷却装置ソック１５内の冷却剤の圧力に対する安全限界を提供する。
【００３４】
ヘリウムは、特に大きな熱膨張を有するので、ヘリウムによる層化効果は特に強い。ヘリウムの大きな熱膨張により、作動中、室温において比較的小さな質量のヘリウムがバッファ容積に存在するのに対し、冷却装置ソック１５における自由容積内に質量の大部分がとどまる。
【００３５】
図３は、本発明の第２の実施の形態を示している。本発明において、遠隔沸騰チャンバ５０が設けられている。遠隔沸騰チャンバ５０は、冷却剤含有容器を有し、低温プレート４０と、図２の実施の形態の冷却剤ガス熱交換機４２とを有する。低温プレート４０は、図２に関して説明したのと同じ形式でサーマルバス４８に取り付けられている。遠隔沸騰チャンバ５０は、少なくとも１つの導管、好ましくは、上側管５２および下側管５４によって冷却装置ソック１５の下側チャンバ１５ｂと流体連通している。作動時、冷却剤ガスは、極低温冷却装置１７の第２の段２６において液体に凝縮させられ、下側チャンバ１５ｂの底部に向かって滴下する。次いで、液体冷却剤は、下側管５４を通って遠隔沸騰チャンバ５０へ流入する。そこで、液体冷却剤は低温プレート４０と接触する。図２を参照して説明した形式において、熱ｑは、液体冷却剤の沸騰によってサーマルバス４８から抽出される。沸騰した冷却剤は、次いで、上昇し、上側管５２を通って、遠隔沸騰チャンバ５０の上側領域から冷却装置ソック１５の下側チャンバ１５ｂへ流入する。沸騰した冷却剤は、そこで、極低温冷却装置１７の第２の段２６によって、液体冷却剤に冷却され、液体冷却剤は、下側管５４を通って遠隔沸騰チャンバ５０へ戻る。このような形式における下側チャンバ１５ｂと遠隔沸騰チャンバ５０との間における冷却剤の循環は、サーマルバス４８から極低温冷却装置１７への熱ｑの移動を提供する。
【００３６】
図３に示したような実施の形態において、低温プレート４０を含む遠隔沸騰チャンバ５０と、再凝縮器２６とは、別々の供給および戻り管、すなわち上側管５２および下側管５４によって分離されている。これは、極低温冷却装置１７によって冷却される冷却剤と、低温プレート４０によって温められる冷却剤との混合を減じることによってシステム効率を向上させる。例えば、極低温冷却装置１７への電源の故障の間、能動的な冷却が利用できないとき、沸騰チャンバ２０における沸騰と、極低温冷却装置１７の第２の段２６における再凝縮とのこのような分離は、熱切換え効果を高める。なぜならば、温度成層が生じるからである。より低温の冷却剤が、遠隔沸騰チャンバ５０に集まるのに対し、より暖かい冷却剤は、冷却装置ソック１５の下側チャンバ１５ｂに蓄えられる。上側管５２および下側管５４は、これらの２つの構成部材の間の冷却剤流を制限する。能動的な冷却が利用できないとき、このような温度成層は、温まる極低温冷却装置１７と、サーマルバス４８、ひいては被冷却機器との間の熱伝導を減じる。熱伝導のこの減少は、ライド・スルーに貢献する。低温プレート４０を含む遠隔沸騰チャンバ５０と、再凝縮器２６との間の分離により、低温プレート４０を備える沸騰チャンバ５０は、冷却装置ソック１５の位置によって制限されるのではなく、所要の冷却のための最適な箇所に配置される。このような構成は、より効率的な冷却を提供することが分かった。なぜならば、被冷却機器から第２の段２６への熱搬送が、好ましくは、サーマルバスを通じた伝導ではなく、冷却剤ガスの質量流によって生じるからである。代替的な実施の形態において、サーマルバス４８は、冷却剤回路によって置き換えられてもよく、供給および戻り冷却剤管は、被冷却物品へまたは被冷却物品から冷却剤を循環させるために設けられていてもよく、すなわち、遠隔沸騰チャンバ５０は、磁石に配置することができ、これは、サーマルバス４８の短縮を許容する。
【００３７】
図４は、本発明の第３の実施の形態を示している。この実施の形態において、極低温冷却装置１７は、冷却装置ソック内に配置されていない。むしろ、極低温冷却装置１７は、外側真空室１４内の真空空間内に部分的に配置されている。沸騰ユニット５６が、極低温冷却装置１７の第２の段２６と熱接触して設けられている。接続部３２は、冷却剤バッファ容器３０内のバッファ容積３４を沸騰ユニット５６の内部容積５８に接続している。沸騰ユニット５６は、サーマルジョイント６０によって極低温冷却装置１７の第２の段２６に熱接続されている。サーマルジョイント６０は、極低温冷却装置１７の第２の段２６と、沸騰ユニット５６の外面との間の熱ペースト、インジウムワッシャ、はんだ付けされた、ろう付けされたまたは直接的な機械的な接触として具体化されていてもよい。沸騰ユニット内において、好ましくは、極低温冷却装置１７の第２の段２６と熱接触した面に隣接して、冷却装置の第２の段２６と熱接続した凝縮器熱交換機６２が設けられている。凝縮器熱交換機６２は、大きな表面積の熱伝導性構造、例えば、銅またはアルミニウムのフィン付きプレートである。
【００３８】
沸騰ユニット５６は、全て図２および図３の実施の形態に関連して上記で説明したような、サーマルバス４８に熱結合された低温プレート４０および低温プレート４０に熱結合された冷却剤ガス熱交換機４２をも有する。この実施の形態において、沸騰ユニット５２内の冷却剤ガスは、極低温冷却装置１７の第２の段２６において凝縮するのではなく、極低温冷却装置１７の第２の段２６との熱接触によって冷却される凝縮器熱交換機５８において凝縮する。
【００３９】
その他の点に関して、図４の実施の形態の作動は、他の説明された実施の形態の作動と類似である。低温プレート４０と接触した液体冷却剤４６は、サーマルバス４８から引き出された熱ｑによって沸騰させられる。結果として沸騰した冷却剤は、浮揚性により沸騰ユニット５２内で上昇し、凝縮器熱交換機６２と接触する。沸騰した冷却剤は再凝縮して液体となり、再び低温プレート４０上へ滴下する。加えて、低温プレート４０の冷却は、気体冷却剤の熱対流によって行われてもよく、気体冷却剤は、冷却剤ガス熱交換機４２から熱を引き出し、浮揚性により沸騰ユニット５６において上昇し、凝縮器熱交換機６２と接触する。冷却剤は、再凝縮して液体になってもよいまたは単に冷却されてもよい。増大した密度を有する冷却されたガスは、冷却剤ガス熱交換機４２の近傍へ再び下降し、このサイクルが反復する。
【００４０】
図２および図３の実施の形態は、極低温冷却装置１７の第２の段２６と、沸騰ユニット５６の外面との間にサーマルジョイント６０が形成されることを必要としないことに留意されてもよい。気体が充填されたソックに極低温冷却装置を配置することによって、冷却装置と沸騰ユニット５６との間の熱接続を形成する必要なしに、必要であれば極低温冷却装置を取り外し、交換することが比較的簡単である。
【００４１】
図４の構成において、沸騰ユニット５６は、極低温冷却装置から独立して設けられている。極低温冷却装置は、制限された圧力のみを許容することができるので、沸騰ユニット５６が設けられた本発明の実施の形態には、極低温冷却装置が同じ冷却剤容積に包囲されている場合に許容可能であるよりも、沸騰ユニット５６内により高圧の冷却剤が提供されてもよいことが分かった。冷却装置ソック１５を有さない極低温冷却装置１７の配置は、さもなければ冷却装置ソック１５によって提供される寄生熱経路を除去し、システムの構成部材コストを減じることもある。
【００４２】
各実施の形態において、所定の質量の冷却剤が、所定の容積に封入されており、この容積は、極低温冷却装置の最も低温の段（２６）と、被冷却機器とに熱接触しており、これらは、サーマルバスを通じて連結されていてもよい。冷却剤の沸騰および再凝縮、または気体形式における冷却剤の加熱および再冷却は、熱エネルギーを、被冷却物品またはサーマルバスから、作動している極低温冷却装置へ移動させるように作用する。極低温冷却装置の故障の場合、十分な冷却剤質量および十分な容積が提供されており、結果としての冷却剤ガスの沸騰および加熱は、商用電源における故障などの（ライド・スルーとして知られる）典型的な故障モードをカバーするために十分な時間にわたって物品を作動温度に維持するために十分である。一般的に、極低温冷却装置は、商用電源によって電力を供給されており、商用電源における故障は、１０分未満だけ続く傾向がある。
【００４３】
本発明の全ての実施の形態において、冷却剤バッファ容器３０、チャネル３２および冷却装置ソック１５または冷却装置ソック１５に遠隔沸騰チャンバ５０の内部容積；または沸騰ユニット５２の内部容積を加えたものによって規定された自由容積によって規定された利用できる容積に含まれた冷却剤の質量が、被冷却機器を作動温度に維持する所要の継続時間を提供するために十分であることを保証するための設計に注意が払われる。この継続時間は、「ライド・スルー」と呼ばれてもよい。冷却剤の所要の質量は、所定の温度における冷却剤の利用できる容積およびチャージ圧力の組合せによって規定される。
【００４４】
典型的には、冷却剤バッファ容器３０、チャネル３２およびソック１５またはソックに遠隔沸騰チャンバ５０；または沸騰ユニット５２を加えたものによって含まれる自由容積は、２０〜１００リットルの領域にあり、室温におけるヘリウムのチャージ圧力は、４〜２０ｂａｒ（０．４〜２．０ＭＰａ）の領域にある。特に冷却剤バッファ容器３０を提供することによって容積を適応させることにより、冷却剤の質量は、設計圧力を増大することなく調整されてもよく、これにより、システムは、制限された圧力範囲にしか耐えることができない構成部材と依然として両立可能であり、これは、特に極低温冷却装置１７に当てはまることがある。図４に示したような実施の形態において、極低温冷却装置は冷却剤圧力に曝されないので、室温におけるヘリウムのチャージ圧力は、４〜３００ｂａｒ（０．４〜３０．０ＭＰａ）の領域にあってもよい。バッファ容器３０は室温であるので、バッファ容器３０は、極低温冷却装置１７が作動中、ヘリウムなどの冷却剤の大きな熱膨張により、極めて小さな質量の冷却剤を保持する。
【００４５】
代替的な実施の形態において、バッファ容器は、他のところに配置されてもよい。バッファ容器は、ＯＶＣ内に配置されてもよく、この場合、バッファ容器はやはり室温であってもよいが、損傷またはいたずらから保護されるという利点を有する。代替的に、バッファ容器は、熱放射シールド１６に配置されてもよく、この場合、バッファ容器は、中間温度に冷却される。このような構成は、バッファ容器の低下させられた温度により、冷却剤のより効率的でない利用という欠点を有するが、室温から再冷却させられなくてもよいので、能動的な冷却が再開すると、復活時間がより迅速である。
【００４６】
各実施の形態において、低温プレート４０は、極低温冷却装置の下側に配置されている。この構成は、極低温冷却装置１７の故障の場合にガス層化を可能にし、これにより、極低温冷却装置１７の故障の場合に、被冷却装置への熱負荷を減じる。図２の実施の形態は、極低温冷却装置の低温プレート２０と第２の段２６との間に鉛直方向分離が設けられている１つのチャンバを示している。管５２，５４によって冷却装置ソック１５に接続された遠隔沸騰チャンバ５０を備える図３の実施の形態は、利用できる容積を増大することなく、鉛直方向分離が増大させられることを可能にする。
【００４７】
好ましくは、利用できる低温容積は、最大作動温度範囲および熱慣性を提供するように最適化されている。「低温容積」は、冷却装置ソック１５の下側チャンバ１５ｂの容積およびその下側チャンバの下方の、連結された冷却剤が充填された容積である。気体状態におけるある質量の冷却剤は、極低温冷却装置の故障の場合に、同じ質量の液体冷却剤と同じ大きさの熱慣性を提供するのではなく、室温に向かって温まりながら膨張し、したがって、大きなバッファ容積３４を必要とするかつ／または室温に温められたときバッファ容積内に高圧を生じる。本発明の構成は、使用時、好ましくは、大幅に少ない熱慣性を提供する最小限の体積の気体冷却剤によって、適切な「ライド・スルー」、すなわち、能動的な冷却の不在における、被冷却物品の作動温度の維持の継続時間、を提供するために、適切な質量の液体冷却剤４６を含んでいる。なぜならば、それは、冷却を提供するために蒸発の潜熱を吸収することができないからである。気体冷却剤の体積を最小限にすることは、極低温冷却装置１７の形状にぴったりと合致するように冷却装置ソック１５を成形することによって、図２および図３に示したような実施の形態において提供されてもよい。図３の実施の形態において、上側管５２および下側管５４の使用は、自由容積に対する制御を提供する。自由容積を最小限にすることは、極低温冷却装置１７の第２の段２６が配置されている下側チャンバ１５ｂにおいて特に重要であると考えられている。これは、ガス密度が下側チャンバにおいてより大きく、下側チャンバにおけるガスが、冷却装置故障の際に膨張し、大きなバッファ容積を必要とするまたは室温に温められるときにバッファ容積に高圧を生じるからである。
【００４８】
本発明の構成の完全に封止された性質は、本発明の構成が、通常条件下で、大気圧未満で作動することを許容し、これは、冷却に失敗したときにライド・スルーをさらに一層増大する。幾つかの従来の構成は、４．２２Ｋ〜４．３８Ｋの温度において１０１〜１２０ｋＰａの冷却剤絶対圧力で作動するのに対し、本発明の構成は、３．１５Ｋ〜４．２２Ｋの温度において、２４〜１０１ｋＰａの範囲における絶対圧力で作動させられることができ、これは、改良されたライド・スルーを提供する。バッファ容積３４およびチャネル３２、冷却剤ソック１５または沸騰ユニット５２または冷却装置ソック１５および遠隔沸騰チャンバ２０内の自由容積は、発明が、封止されたユニットとして作動するように最適化されており、冷却剤の正確な質量密度は、低温のときに液体が形成されるように提供されており、これにより、高い熱搬送効率を提供するために二相作動が採用されてもよく、十分な液体冷却剤が、液体冷却剤の沸騰によって、能動的な冷却に失敗した場合に、被冷却機器を作動温度に維持することができる有効ライド・スルー継続時間を提供するように形成されている。
【００４９】
幾つかの実施の形態において、能動的な冷却に失敗した場合に熱流入を最小限にするために、図２におけるようにチャンバを延長させることによってまたは図３におけるように管接続を備える２つのチャンバに分離させることによって、低温プレート４０における沸騰位置と、第２の段２６における再凝縮位置との間に、余分な鉛直方向分離が提供される。このような構成は、熱流入を約２〜５Ｗから０．２Ｗ未満に減じることが分かった。これは、ひいては、増大したライド・スルーに寄与する。
【００５０】
本発明は、したがって、上記で説明されかつ添付の請求項に記載されたような、故障許容極低温冷却システムを提供し、この場合、所定の質量の冷却剤が、所定の容積に封入されており、極低温冷却装置によって冷却され、熱エネルギーを、被冷却機器から、極低温冷却装置１７の第２の段２６へ移動させるために、蒸発および再凝縮によって作用する。
【００５１】
その他の部分的なソリューションは、極低温で冷却されるシステムのライド・スルーを増大するために公知である。概して、このようなその他の部分的なソリューションは、本発明の構成に関連して適用されてもよい。例えば、クライオスタットへの熱負荷を最小限にするための手段が採用されてもよく、これにより、被冷却機器の温度上昇率が、ライド・スルーの間、最小限にされる。このような手段は、本発明に加えて採用されてもよい。クライオスタットに熱を導入するサーマルパスは、能動的な冷却が利用できないとき、例えば、サーマルスイッチを使用することによって、被冷却機器への電流リードを切断することによって、極低温冷却装置を取り外すことによってまたは少なくとも極低温冷却装置を、被冷却機器と熱接触しないように移動させることによって、中断させられてもよい。これらの手段は、本発明に関連して有効に採用されてもよい。
【００５２】
能動的な冷却のための電源の故障に対するクライオスタットの耐性を高めるための公知の別のタイプの構成は、一次電源の故障の場合に極低温冷却装置に電力を供給するために作動させられるバックアップ発電機またはバッテリの提供である。このような構成は、もちろん、本発明に関連して採用されてもよく、これにより、本発明の構成は、このようなバックアップ発電機またはバッテリが故障したまたは消耗させられた場合にのみ作動させられる。
【００５３】
本明細書の記載を通じて、極低温冷却装置の「第２の段」とは、冷却装置の最も低温の冷却段に熱結合された熱交換機を意味すると理解されるべきである。極低温冷却装置は、現在では一般的に２つの段を有するが、本発明は、３つ以上または１つの段を有する冷却装置に適用されてもよく、本明細書において使用される「第２の段」という用語は、極低温冷却装置の最も低温の段を意味すると解されるべきである。
【図１】
2020531787.tif 000003
【図２】
2020531787.tif 000004
【図３】
2020531787.tif 000005
【図４】
2020531787.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月3日(2019.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
故障許容極低温冷却システムであって、
その内部容積に真空領域を画定する外側真空室（１４）と、
極低温冷却装置（１７）と、
前記真空領域内に収容された、被冷却機器と、
前記真空領域内に画定されかつ冷却剤（４６）を含む自由容積と、
該自由容積に曝されかつ前記被冷却機器に熱結合された低温プレート（４０）と、
前記極低温冷却装置（１７）の最も低温の段（２６）に熱結合されかつ前記自由容積に曝された熱交換機と、
バッファ容積（３４）を画定する冷却剤バッファ容器（３０）と、
前記バッファ容積（３４）を前記自由容積に接続する通路（３２）と、
を備え、
前記冷却剤バッファ容器（３０）と前記通路（３２）とは、前記極低温冷却装置（１７）の故障中、冷却剤の質量の一部が、前記通路（３２）を通って前記冷却剤バッファ容器（３０）の前記バッファ容積（３４）内へ流入するように配置されている、
故障許容極低温冷却システム。
【請求項２】
前記冷却剤バッファ容器（３０）は、前記外側真空室（１４）の外部にある、請求項１記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項３】
前記冷却剤バッファ容器（３０）は、前記外側真空室（１４）の内部にある、請求項１記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項４】
前記冷却剤バッファ容器（３０）は、前記外側真空室（１４）の内部にあり、冷却剤容器（１２）と前記外側真空室（１４）との間の真空空間に設けられた熱放射シールド（１６）に熱結合されている、請求項１記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項５】
前記低温プレート（４０）の上面は、テクスチャを有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項６】
前記低温プレート（４０）には、該低温プレート（４０）と熱接触する冷却剤ガス熱交換機（４２）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項７】
前記冷却剤ガス熱交換機（４２）は、前記低温プレート（４０）に取り付けられたフィンを有する、請求項６記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項８】
前記低温プレート（４０）と熱接触してかつ前記被冷却機器と熱接触して、熱伝導性サーマルバス（４８）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項９】
前記極低温冷却装置は、２段冷却装置であり、前記熱交換機は、前記極低温冷却装置の第２の段によって冷却される、請求項１から８までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項１０】
前記極低温冷却装置（１７）は、前記真空領域内にある冷却装置ソック（１５）内に部分的に収容されており、前記冷却装置ソックの内部は、前記低温プレート（４０）に関連した自由容積を画定している、請求項１から９までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項１１】
前記極低温冷却装置（１７）は、前記真空領域内の冷却装置ソック（１５）内に部分的に収容されており、前記冷却装置ソックの内部は、遠隔沸騰チャンバ（５０）の内部と流体連通しており、前記遠隔沸騰チャンバ（５０）自体は、冷却剤含有容器および前記低温プレート（４０）を有し、前記自由容積は、前記冷却装置ソックの内部と、前記遠隔沸騰チャンバの内部と、それらの間の流体連通部の内部とを含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【請求項１２】
前記極低温冷却装置（１７）は、前記真空領域内に部分的に収容されており、前記冷却装置ソックの最も低温の段（２６）は、それ自体が冷却剤含有容器および低温プレート(４０)を有する沸騰ユニット（５６）の内部容積（５８）に曝された熱交換機（６２）と熱結合しており、前記自由容積は、前記沸騰ユニット（５６）の内部容積（２８）を含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の故障許容極低温冷却システム。
【国際調査報告】
2020531787.tif 000007
2020531787.tif 000008