JP6458031B2 - 熱効率的なライドスルーシステムを有する超電導磁石システム及び超電導磁石システムを冷却する方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、超電導磁石システム及び超電導磁石システム用のクライオスタットに関する。特に、本発明は、超電導磁石システムを冷却するライドスルーシステム、このようなライドスルーシステムを有する超電導磁石システム及び超電導磁石システムを冷却する方法に関する。

超電導磁石は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）解析及び磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）を含むさまざまな状況において使用される。超電導特性を実現するために、超電導磁石は、絶対零度近傍の温度の極低温環境に維持される。一般に、超電導磁石は、大量の極低温流体（例えば液体ヘリウム）を含むクライオスタット内に配される１又は複数の導電コイルを有する。このような超電導磁石は、「持続モード」で動作する。持続モードで動作する超電導磁石は、その磁界を起動させるために、外部電源からの電流によって最初に作動され、その後、電源は、超電導磁石から分離され、超電導磁石は、その超電導特性により電流及び磁界を維持する。

連続する電力供給は、超電導磁石が磁界を維持するためには一般に必要とされないが、電力（例えばＡＣ主電力）は、磁石の超電導特性が持続するよう絶対零度近くに超電導磁石の温度を維持するために、冷却ユニット又は「コールドヘッド」−ここで「極低温冷却装置(cryocooler)」ともいう−を駆動するコンプレッサになお供給される。

残念ながら、極低温冷却装置に対する電力は、例えば、嵐による電力停止の間に失われることがある。更に、時には、極低温冷却装置は、故障を経験し又はメンテナンスを実施するためにオフにされることがある。

極低温冷却装置が動作を中止すると、クライオスタッ内の条件は劣化し、超電導磁石の温度が上昇し始める。ある時点で、極低温冷却装置の動作が、超電導磁石の環境の冷却を復元するように回復されない場合、超電導磁石の温度は、超電導磁石が「クエンチ」し、その磁気エネルギーを熱エネルギーに変換する臨界温度に達し、それにより、クライオスタット内の極低温流体を加熱する。これは、極低温流体の一部又は全てを蒸発させ、失わせる。更に、熱は、磁石及び／又は装置の他のコンポーネントにダメージを与えることがある。

その場合、極低温冷却装置の動作が復旧される場合、磁石を超電導動作に戻すことは、クライオスタット内で失われた極低温流体を元に戻し、臨界温度以下に磁石を再び冷却し、磁界を再び生成するように外部電源からの電流を磁石に再び印加するように磁石にリードを接続し、外部電源に関して再び磁石を分離することを必要とする。更に、クエンチから熱が、磁石又は他のコンポーネントへのダメージをもたらした場合、それらは、修理され又は交換される必要がある。

このリカバリプロセスは、高価であり、時間がかかりうる。一般に、訓練された技師が、超電導磁石システムが位置する設備（例えば医療センタ又は病院）に派遣されなければならず、非常に高コストでありうる新しい極低温流体（例えば液体ヘリウム）が、クライオスタットに供給されなければならない。更に、ヘリウムの供給量は、ますます制限されており、従って、失われたヘリウムの費用は重大でありうる。

これは、ＭＲＩ装置用の一般的な超電導磁石システムの深刻な問題でありうるが、問題は、このような超電導磁石システムが極低温流体（例えば１０００リットルの液体ヘリウム）の相対的に大きい量を一般に用いることによって、少なくともいくらか改善されることができる。大量の極低温流体は、大きい熱質量を有し、これは、磁石の温度が臨界温度に到達してクエンチを生じさせる前に、電力が、相対的に長い時間、可能性として数日をかけて失われていくことができることを意味しうる。更に、このようなシステムは、一般に、蒸発し失われた極低温物質を元の状態に戻すために、ユーザが極低温流体をクライオスタットにときどき加えることを可能にするアクセス手段を有する。

しかしながら、密閉又は封止されているいわゆる「クライオフリー(cryofree)」超電導磁石システムを用いるより新しいＭＲＩ装置が、開発され展開されており、かかる超電導磁石システムは、ユーザが新たな極低温物質をシステムに加えるための手段を有さなくてよい。更に、このような密閉システムは、一般に、上述の従来のシステムより非常に小さい量の極低温物質（例えば、わずか１リットル又は数リットルの液体ヘリウム）をクライオスタット内に有する。

従って、クライオフリー又は封止された超電導磁石システム内でのクエンチは、極低温冷却装置が電力の損失又は故障に苦しむ又はメンテナンスを受けたあと、わずか３０分又はそれより短い時間で発生することがあり、これは、極低温冷却装置が適切に動作し、クライオスタット内の温度を絶対零度近くに維持することを妨げる。更に、ユーザが新たな極低温物質をシステムに加えるための手段が一般に提供されないので、極低温流体がクエンチのため劣化し又は蒸発する場合、リカバリは数日又は数週間を必要とすることがある。

本発明の１つの見地は、超電導磁石を冷却するための第１の極低温流体をその中に有する１又は複数の重力送りの冷却管と、１又は複数の重力送りの冷却管から極低温冷却装置の第２のステージ素子に熱を伝達するように構成される第１の熱交換器であって、第２の極低温流体の或る量をその中に保管するように構成される第１の熱交換器と、第１の熱交換器に接続される入力を有し、極低温冷却装置が動作を停止する際に第１の熱交換器からボイルオフしたガスを受け取り保管するように構成される保管装置と、保管装置から極低温冷却装置の第１のステージ素子に熱を伝達するように構成される第２の熱交換器と、を有する装置を提供することができる。

ある実施形態において、装置は更に、筐体と、筐体内に配置される熱シールドと、を有し、熱シールドは、内側領域を規定し、更には、熱シールドと筐体の壁との間の真空空間を規定し、１又は複数の重力送りの冷却管と、第１の熱交換器と、保管装置と、第２の熱交換器とが、内側領域内に配置される。

これらの実施形態のある変更例において、装置は更に、保管装置の出力に接続される入力を有し及び筐体の外側に接続される出力を有するサーマル再生器を有する。

これらの実施形態のある変更例において、サーマル再生器は、熱シールドと筐体の壁との間の真空空間に少なくとも部分的に配置される。

これらの実施形態のある変更例において、装置は更に、第２の保管装置を有し、第２の保管装置は、筐体の外側に配置され、サーマル再生器の出力に接続される。

ある実施形態において、装置は更に、第２の熱交換器から極低温冷却装置の第１のステージ素子に熱を伝達するように構成されるコールドプレートを有する。

これらの実施形態のある変更例において、装置は更に、超電導磁石の両端に接続される永久電流スイッチと、少なくとも１つの高温超電導電気リードとを有し、電気リードは、超電導磁石に接続される第１の端部を有し、コールドプレートに接続される第２の端部を有する。

ある実施形態において、保管装置は、少なくとも３リットルのボイルオフしたガスを保管するための容量を有する。

ある実施形態において、極低温冷却装置の第１のステージ素子は、第１の温度で動作するように構成され、極低温冷却装置の第２のステージ素子は、第１の温度より低い第２の温度で動作するように構成され、装置は更に、サーマルスイッチを有し、サーマルスイッチは、第１の熱交換器が第１の温度より大きい温度を有する場合に、第１の熱交換器から極低温冷却装置の第１のステージ素子に熱を伝達するように構成され、第１の熱交換器の温度が第１の温度をより小さい場合に極低温冷却装置の第１のステージ素子から第１の熱交換器への熱の伝達を防ぐように構成される。

本発明の別の見地は、超電導磁石を冷却するための第１の極低温流体をその中に配するように構成される１又は複数の重力送りの冷却管と、極低温液体を含む第２の極低温流体の或る量をその中に保管するように構成される熱交換器であって、１又は複数の重力送りの冷却管から極低温冷却装置に熱を伝達するように構成される熱交換器と、を有する装置を提供することができる。

ある実施形態において、装置は更に保管装置を有し、保管装置は、熱交換器に接続される入力部を有し、熱交換器からボイルオフしたガスを受け取り保管するように構成される。

これらの実施形態のある変更例において、装置は更に、保管装置の出力部に接続される入力部を有するサーマル再生器を有する。

これらの実施形態のある変更例において、重力送りの冷却管、熱交換器、及び保管装置が、筐体内に配置され、サーマル再生器が、筐体の外側に接続される出力部を有する。

これらの実施形態のある変更例において、装置は更に、第２の保管装置を有し、第２の保管装置は、筐体の外側で配置され、サーマル再生器の出力部に接続される。

これらの実施形態のある変更例において、極低温冷却装置は、第１の温度で動作するように構成される第１のステージ素子と、第１の温度より低い第２の温度で動作するように構成される第２のステージ素子と、を少なくとも有し、装置は更に、保管装置から極低温冷却装置の第１のステージ素子に熱を伝達するように構成される第２の熱交換器を有し、熱交換器は、１又は複数の重力送りの冷却管から極低温冷却装置の第２のステージ素子に熱を伝達するように構成される。

ある実施形態において、極低温冷却装置は、第１の温度で動作するように構成される第１のステージ素子を少なくとも有し、装置は更に、熱交換器が第１の温度より高い温度を有する場合に熱交換器から極低温冷却装置の第１のステージ素子に熱を伝達するように構成されるとともに、熱交換器の温度が第１の温度をより低い場合に極低温冷却装置の第１のステージ素子から熱交換器への熱の伝達を防ぐように構成されるサーマルスイッチを有する。

本発明の更に別の見地は、超電導磁石から、１又は複数の重力送りの冷却管内に配される第１の極低温流体に熱を伝達するステップと、１又は複数の重力送りの冷却管内の第１の極低温流体から、極低温液体を含む第２の極低温流体を有する熱交換器を通じて、極低温冷却装置に熱を伝達するステップと、を有する方法を提供することができる。

ある実施形態において、方法は更に、熱交換器から、ボイルオフしたガスの少なくとも一部をその中に保管するように構成される保管装置にボイルオフしたガスを提供するステップを有する。

これらの実施形態のある変更例において、極低温冷却装置は、第１の温度で動作するように構成される第１のステージ素子と、第１の温度より低い第２の温度で動作するように構成される第２のステージ素子と、を少なくとも有し、熱交換器は、１又は複数の重力送りの冷却管から極低温冷却装置の第２のステージ素子に熱を伝達し、方法は更に、保管装置から極低温冷却装置の第１のステージ素子に熱を伝達するステップを有する。

これらの実施形態のある変更例において、方法は更に、保管装置からサーマル再生器にボイルオフしたガスの少なくとも一部を供給するステップを更に有する。

本発明は、添付の図面に関連して以下に示される例示的な実施形態の詳細な説明から一層容易に理解される。

磁気共鳴（ＭＲ）イメージャの例示的な実施形態を示す図。 超電導磁石によって生成された磁界をクエンチすることなく、拡張された期間の間、極低温冷却装置の故障をライドスルーするライドスルーシステムを有する超電導磁石システムの一実施形態を示す図。 超電導磁石を冷却する方法の例示の実施形態のある動作を示す図。

本発明は、本発明の実施形態が示される添付の図面を参照して以下により詳しく記述される。しかしながら、本発明は、別の形で具体化されることができ、ここに示される実施形態に制限されるものとして解釈されるべきでない。そうではなく、これらの実施形態は、本発明の例を示すものとして提供される。本開示及び請求項において、何かがおよそ(approximately)或る値を有すると言う場合、それは、その値の１０％以内であることを意味し、何かがだいたい(about)或る値を有すると言う場合、それは、その値の２５％であることを意味する。何かが実質的により大きいという場合、それは、少なくとも１０％より大きいことを意味し、何かが実質的により少ないと言う場合、それは、少なくとも１０％より小さいことを意味する。

図１は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置１００の例示的な実施形態を示す。ＭＲＩ装置１００は、磁石１０２と、患者１０を保持するように構成される患者テーブル１０４と、ＭＲＩ装置１００が画像を生成する患者１０の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲むように構成される勾配コイル１０６と、イメージングされる患者１０の少なくとも一部に無線周波数信号を印加し、磁界のアライメントを変更するように構成される無線周波数コイル１０８と、無線周波数信号によって引き起こされる磁界の変化を検出するように構成されるスキャナ１１０と、を有することができる。

ＭＲＩ装置の一般の動作は良く知られており、従ってここでは繰り返されない。

図２は、超電導磁石によって生成される磁界をクエンチすることなく、拡張された期間の間、極低温冷却装置の故障をライドスルーするライドスルーシステムを有する超電導磁石システム２００の一実施形態を示す。特に、超電導磁石システム２００は、ＭＲＩ装置１００の磁石１０２の一実施形態でありうる。

超電導磁石システム２００は、極低温冷却装置２１０と、クライオスタットを規定するハウジング又は筐体２２０とを有する。

ある実施形態において、極低温冷却装置２１０は、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）クーラを有することができる。図２に示されるように、ある実施形態において、極低温冷却装置は、その動作のための電力を受け取るようＡＣメインに接続されるように構成されることができる。その代わりに、他の実施形態において、外部電源又は電力調整ユニットが、極低温冷却装置２１０に電力を供給することができる。

極低温冷却装置２１０は、第１のステージ素子２１２及び第２のステージ素子２１４を有することができる。図２に示される実施形態において、極低温冷却装置２１０は、２つのステージを有するが、他の実施形態において、極低温冷却装置２１０は、２以外の数のステージを有することも可能である。

超電導磁石システム２００は更に、１又は複数の重力送りの冷却管２３０、第１の熱交換器２４０、第１の保管装置２５０、第２の熱交換器２６０、サーマル再生器２７０、サーマルスイッチ２８０、及び第２の保管装置２９０を有する。超電導磁石システム２００は更に、１又は複数の導電コイルを有する超電導磁石２３５、冷却ループ２４５、永久電流スイッチ２５５、１又は複数の高温超電導電気リード２６５、コールドプレート２７５、及び熱シールド２８５を有する。

重力送りの冷却ループ２３０は、動作中、第１の極低温流体（例えば低温ヘリウムガス）がその中に配され循環するように構成される。重力送りの冷却ループ２３０は、その下端部で、超電導磁石２３５の導電コイルに（直接的又は間接的に）熱的に接続され、その上端部で、第１の熱交換器２４０に接続される。

第１の熱交換器２４０は、その中に配される第２の極低温流体を有するように構成される。ある実施形態において、第２の極低温流体は、液体ヘリウムの或る量を有し、低温ヘリウムガスの或る量を更に含むことができる。第１の熱交換器２４０は、冷却ループ２４５を通じて、極低温冷却装置２１０の第２のステージ素子２１４に熱的に接続される。

第１の保管装置（又は保管タンク）２５０は、第１の熱交換器２４０に接続される入口／入力部を有し、後で更に詳しく説明されるように、極低温冷却装置２１０が動作することを停止する場合に、第１の熱交換器２４０から、ボイルオフしたガスを受け取り保管するように構成される。ある実施形態において、第１の保管装置２５０は、第１の熱交換器２４０からの少なくとも３リットルのボイルオフしたガス（例えばヘリウムガス）を保管するための容量を有する。ある実施形態において、第１の保管装置２５０は、第１の熱交換器２４０からの少なくとも５リットルのボイルオフしたガスを保管するための容量を有する。ある実施形態において、第１の保管装置２５０は、第１の熱交換器２４０からの最大３０リットルのボイルオフしたガスを保管するための容量を有することができる。

熱シールド２８５は、筐体２２０内の内側領域２２２を実質的に囲み、更に、筐体２２０と熱シールド２８５との間に配される外側領域２２４を規定する。内側領域２２２及び外側領域２２４の各々は真空領域でありうる。

超電導磁石システム２００において、１又は複数の重力送りの冷却管２３０、第１の熱交換器２４０、第１の保管装置２５０、第２の熱交換器２６０、サーマルスイッチ２８０、超電導磁石２３５、冷却ループ２４５、永久電流スイッチ２５５、及びコールドプレート２７５は、内側領域２２２に配置される。サーマル再生器２７０の一部又は全てが、外側領域２２４に配置されることができる。

永久電流スイッチ２５５は、超電導磁石２３５の導電コイルの両端に接続され及び小さい永久電流スイッチヒータに取り付けられる超電導ワイヤの部品を有することができる。

高温超電導電気リード２６５は、以下でより詳しく述べるように、超電導磁石２３５のスタートアップ動作の間、永久電流スイッチ２５５及び超電導磁石２３５に外部電源（図２に示される）を接続する。高温超電導電気的リード２６５は、例えば４０Ｋより大きい温度、特に７７Ｋ又はおよそ７７Ｋの温度、のような相対的に高い温度で、超電導特性を経験する物質で作られることができる。高温超電導電気的リード２６５の各々は、下側部分２６５ａ及び上側部分２６５ｂを有することができる。電気リード２６５の上側部分は、例えば銅のような非超電導物質を含むことができる。特に、下側部分２６５ａは、内側領域２２２内に配置され、上側部分２６５ｂの一部又は全部が、外側領域２２４内に配置される。

第２の熱交換器２６０は、第１の保管装置２５０の上側部分であって出口／出力部のところ又はその付近に配置される。第２の熱交換器２６０は、第１の保管装置２５０から極低温冷却装置２１０の第１のステージ素子２１２に熱を伝達するように構成される。図示される実施形態において、第２の熱交換器２６０は、第１の保管装置２５０から、コールドプレート２７５を通じて、極低温冷却装置２１０の第１のステージ素子２１２に熱を伝達し、コールドプレート２７５は、例えば、正常動作の間は約４０Ｋの温度でありうる。更に、図示される実施形態において、第２の熱交換器２６０は、その臨界温度に達する前に高温超電導リード２６５の温度を例えば６０Ｋ以下に維持するために、コールドプレート２７５を通じて高温超電導リード２６５から極低温冷却装置２１０の第１のステージ素子２１２に熱を伝達する。

サーマル再生器２７０は、その入力部（底部）からその出力部（上部）への長手（フロー）方向において、高いボリュメトリック熱容量及び低い熱導電率を有する。ある実施形態において、サーマル再生器２７０は、その長手方向に沿ってフローする熱に対して高い抵抗を有しながら、通過するガスから熱をすばやく伝達し保管する能力を有するマトリクス剤で構成されることができるが、ある実施形態において、逆流熱交換器と比較して、熱生成器２７０は、２つの物理的に分離された流体の同時の連続するフローを必要とせず、その代わりに、ガス方向が周期的に逆転するたびに、再生器物質との中間熱伝達の作用によって、同じガス（例えばヘリウムガス）へ及びそこから熱を伝達する。これを達成するために、より熱いガスが、サーマル再生器２７０の蓄熱媒体又はマトリクスと接触するようにされることができ、より暖かいガスが、より低温のガスと置き換えられ、かかる低温のガスは、熱を吸収する。サーマル再生器２７０は、第１の保管装置２５０の出力部に接続される入力部を有し、筐体２２０の外側に接続される出力を有する。図示される実施形態において、サーマル再生器２７０は、熱シールド２８５と筐体２２０との間の第２の領域２２４に、全体あるいは一部が配置される。

サーマルスイッチ２８０は、その下端部における第１の熱交換器２４０と、その上端部における極低温冷却装置２１０の第１のステージ素子２１２及びコールドプレート２８５との間に接続される。ある実施形態において、サーマルスイッチ２８０は、その下端部からその上端部に熱がフローすることを可能にするが、その上端部からその下端部に熱がフローすることを防ぐように構成される対流冷却ループである。

図示される実施形態において、第２の保管装置２９０は、筐体２２０の外側に又はその外面に配置される。従って、第２の保管装置２９０は、超電導磁石システム２００が設置される部屋又は設備の室温（例えば３００Ｋ）を呈することができる。ある実施形態において、第２の保管装置２９０は、第１の熱交換器２４０から第１の保管装置２５０及びサーマル再生器２７０を通じて受け取られる約４０リットル又はより多くのボイルオフしたガス（例えばヘリウムガス）を保管するための容量を有する。ある実施形態において、第２の保管装置２９０は、第１の熱交換器２４０から少なくとも１００リットルのボイルオフしたガスを保管するための容量を有する。ある実施形態において、第２の保管装置２９０は、第１の熱交換器２４０から少なくとも３００リットルのボイルオフしたガスを保管するための容量を有する。ある実施形態において、第２の保管装置２９０は、第１の熱交換器２４０から最大５００リットルのボイルオフしたガスを保管するための容量を有することができる。

超電導磁石システム２００の例示的な動作が以下に記述される。

超電導磁石システム２００のスタートアップ動作の間、永久電流スイッチ２５５のワイヤは、小さい永久電流スイッチヒータによって、その遷移温度を上回るように加熱され、その結果それは抵抗性になる。高温超電導リード２６５は、超電導磁石２３５のスタートアップ動作の間、永久電流スイッチ２５５及び超電導磁石２３５に外部電源（図２に示さず）を接続する。超電導磁石２３５の導電コイルは、最初に、そこに電流を通す外部電源によって作動される。永久電流スイッチ２５５のワイヤは、スタートアップ動作の間加熱されるので、その抵抗は、超電導磁石２３５の導電コイルの抵抗よりもかなり大きく、それゆえ、外部電源から電流が、超電導磁石２３５の導電コイルを通過する。

他方、極低温冷却装置２１０の第１のステージ素子２１２が、第１の温度（例えば約４０Ｋ）で動作し、第２のステージ素子２１４が、第１の温度より低い第２の温度（例えば約４Ｋ）で動作する。１又は複数の重力送りの冷却管２３０が、第１の極低温流体（例えば約４〜５Ｋの超低温ヘリウムガス）をその中に含む。第１の熱交換器２４０は、第２の極低温流体の或る量（例えば１リットル）を保管し、例えば約４Ｋの液体ヘリウムを含む。

従って、極低温冷却装置２１０は、１又は複数の重力送りの冷却管２３０及び第１の熱交換器２４０によって、超電導磁石２３５の導電コイルを、それらの超電導温度（例えば４．２Ｋ以下）に冷却するための冷凍を提供することが可能である。極低温冷却装置２１０は、コールドプレート２７５及び第２の熱交換器２６０を通じて、高温超電導リード２６５を、その／それらの遷移温度（例えば約６０Ｋ）以下に維持するために冷凍（例えば約４０Ｋ）を提供することが更に可能である。

１又は複数の重力送りの冷却管２３０を循環する超低温ヘリウムガスは、第１の熱交換器２４０内に含まれる第２の極低温流体（例えば液体ヘリウム）の蒸発によって冷却される。次いで、第１の熱交換器２４０からの蒸発したヘリウム蒸気は、極低温冷却装置の第２のステージ素子２１４によって凝縮され、液体ヘリウムは、冷却ループ２４５を通じて第１の熱交換器２４０に戻される。

上述したように、超電導磁石２３５の導電コイルは、重力送りの冷却管２３０によってその臨界温度以下に冷却されるので、超電導磁石２３５の導電コイルは超電導状態である。

永久モードに入るために、超電導磁石２３５の導電コイルを通る電流が、所望の磁界が得られるまで調整され、その後、永久電流スイッチ２５５内のヒータがオフにされる。ヒータがオフにされたあと、永久電流スイッチ２５５内の超電導ワイヤは、その超電導温度に冷却し、超電導磁石２３５の導電コイルを短絡させ、超電導コイルは、上述したように超電導特性を呈する。ある実施形態において、この時点で、高温超電導リード２６５は、永久電流スイッチ２５５及び超電導磁石２３５の導電コイルから分離されることができる。この時点で、超電導磁石２３５は、永久モードで動作することができる。

正常動作の間、極低温冷却装置２１０は、第２のステージ素子２１４及び重力送りの冷却管２３０を通じて、（例えば約４Ｋの温度で）それらの超電導特性を維持するように超電導磁石２３５の導電コイルを冷却することを続け、更に、第１のステージ素子２１２、コールドプレート２７５及び第２の熱交換器２６０を通じて、（例えば約４０Ｋの温度で）それらの超電導特性を維持するように高温超電導電気リード２６５を冷却する。更に正常動作の間、第１の熱交換器２４０の温度（例えば約４Ｋ）は、第１のステージ素子２１２及びコールドプレート２７５の動作温度（例えば約４０Ｋ）よりかなり低いが、第１の熱交換器２４０は、第１のステージ素子２１２及びコールドプレート２７５より下方に位置するので、サーマルスイッチ２８０が、極低温冷却装置２１０の第１のステージ素子２１２から第１の熱交換器２４０への熱伝達を防ぐ。

極低温冷却装置２１０が、電力の損失又はルーチンメンテナンスのような何らかの理由で動作を停止する場合、冷却の損失が発生し、付加の冷凍が提供されない場合には、超電導磁石２３５の導電コイル及び高温超電導電気リード２６５の両方が、磁石をクエンチする潜在性を伴って暖まり始める。

クエンチを防ぐために、超電導磁石システム２００は、ライドスルーシステムを有する。超電導磁石システム２００のライドスルーシステムは、第１の熱交換器２４０、第１の保管装置２５０、第２の熱交換器２６０、サーマル再生器２７０、及び第２の保管装置２９０を有すると考えられることができる。しかしながら、他の実施形態において、これらの素子の１又は複数、例えば、第１の保管装置２５０、第２の熱交換器２６０、サーマル再生器２７０及び／又は第２の保管装置２９０が省かれることができる（おそらく利点の付随する損失及び／又は性能の低減を伴う）。

極低温冷却装置２１０が、第２のステージ素子２１４を冷却するように適切に動作しない場合、第１の熱交換器２４０に保管されている極低温流体（例えば液体ヘリウム）の一部が、ボイルオフすることがある。その場合、第１の保管装置２５０が、第１の熱交換器２４０に接続されるその入力を有し、極低温冷却装置２１０が動作を停止する場合に第１の熱交換器２４０からボイルオフしたガスを受け取り保管するように構成される。第１の保管装置２５０がボイルオフしたガスで満たされるにつれて及びボイルオフしたガスの温度が上昇するにつれて、ボイルオフしたガスの一部が、その出力部から第１の保管装置２５０を出て、第１の保管装置２５０の出力部は、通常約４０Ｋで動作しうる第２の熱交換器２６０を通じてコールドプレート２８５に熱的に接続される。第１の保管装置２５０を出る冷却ガスは、サーマル再生器２７０（その動作は上記で説明された）に提供される。より暖かいガスが、サーマル再生器２７０を去り、筐体２２０から出て、第２の保管装置２９０に提供される。一方、第１の熱交換器２４０の温度が、極低温冷却装置２１０の第１のステージ素子２１２及びコールドプレート２８５の温度（例えば約６０Ｋ）より高く上昇し始める場合、サーマルスイッチ２８０は、第１の熱交換器２４０から極低温冷却装置２１０の第１のステージ素子２１２及びコールドプレート２８５に熱が伝達されることを可能にする。

ライドスルーシステムは、超電導磁石システム２００のコンポーネント内の圧力上昇を制限しながら、十分なライドスルー時間を提供するように図２に示される保管ボリュームの１又は複数を有してもよい。超電導磁石システム２００は、３つの保管ボリューム、すなわち、４Ｋの第１の熱交換器２４０の第１の保管ボリューム、４０Ｋの第１の保管装置２５０の第２又は中間の保管ボリューム、及び筐体２２０の外側で配される室温（例えば３００Ｋ）の第２の保管装置２９０の第３の保管ボリューム、を有する。４０Ｋの第１の保管装置２５０と室温（例えば３００Ｋ）の第２の保管装置２９０との間に配されるサーマル再生器２７０は、極低温冷却装置２１０の適切な動作の後、筐体２２０を出るガス（例えばヘリウム）の低温フローから、筐体２２０に再び入る暖かいガスに、冷却が伝達されることを可能にしうる。複数のボリュームは、それが室温においてガス（例えばヘリウム）で最初に充填される際に超電導磁石システム２００のコンポーネントの安全な作動圧力を越えることなく、ライドスルーガスを収集するためにライドスルーシステムに柔軟性を与える。これは、更に密閉封止されたシステムを有するという目的を達成し、付加の極低温物質（例えばヘリウム）がシステムに加えられることを必要としない。しかしながら、前述したように、ある実施形態において、いくらかの利益の付随する損失及び／又は性能の低減を伴って、これらの保管ボリュームの１又は複数が省かれることができる。

ある実施形態において、これらのボリュームは、例えばボリューム内のヘリウム蒸気の圧力上昇を制限することによって、超電導磁石２３５の導電コイルの温度上昇を、それらの深刻なクエンチ温度より低く制限するようにサイズ設計されることができる。ある実施形態において、第１の熱交換器２４０の圧力が圧力閾値（例えば４．８Ｋで１．６４気圧）より高く上昇せず、及び高温超電導電気リード２６５の上部２６５ｂが６０Ｋを越えない限り、超電導磁石２３５の導電コイル及び高温超電導電気リード２６５はクエンチせず、システムは正常に動作する。

超電導磁石システム２００のライドスルーシステムは、極低温冷却装置２１０が動作していないときに、拡張された期間の間、超電導磁石２３５の導電コイル及び高温超電導電気リード２６５の両方に冷却を提供するように、正常動作の間、十分な極低温流体（例えばヘリウム液体及び／又は超冷却ヘリウムガス）を保管することができるライドスルーシステムは更に、極低温冷却装置２１０が正常動作を再開すると、冷却の相対的に迅速な回復及び超電導磁石システム２００のその正常動作モードへの復元を可能にすることができる。

ある実施形態において、極低温冷却装置２１０が、適切に動作することを止める場合、ライドスルーシステムは、例えば２時間、より有益には少なくとも４時間というより拡張された期間の間、超電導磁石２３５の導電コイルを４．９Ｋ以下に、及び高温超電導電気リード２６５の上部２６５ｂを約６０Ｋ以下に維持することが可能でありうる。

さまざまな実施形態において、超電導磁石システム２００及びそのライドスルーシステムは、極低温冷却装置のルーチンメンテナンス又は極低温冷却装置２１０の障害の間、磁石クエンチの発生を防ぐ又は遅延させることができる。更に、それぞれに異なる温度にある極低温流体の複数のボリュームを有することは、ボリュームのサイズを最小限にしつつ、システムの安全作動圧力を維持することができる。ある実施形態において、高温超電導リード２６５の近傍における第２の熱交換器２６０の存在は、その／それらの臨界温度以下に超電導リード２６５を保持するために、保管装置２５０を通じて第１の熱交換器２４０を去る低温ヘリウム蒸気の使用を可能にする。更に、ある実施形態によれば、極低温冷却装置２２０の正常動作が復旧されると、サーマル再生器２７０は、保管され効率的にガスに戻されるように、蒸発した極低温流体（例えば低温ヘリウムガス）のほとんど又は全ての冷凍を可能にする。サーマル再生器２７０に冷凍を保管することは（それを放散するのではなく）は、極低温冷却装置２２０の正常動作が復旧されたとき、極低温冷却装置２２０から必要とされる冷却を最小限にしながら、液体ヘリウムが第１の熱交換器２４０に戻されることを可能にすることができる。ある例では、サーマル再生器２７０は、極低温冷却装置２２０の正常動作が復旧された後、超電導磁石システム２００の正常動作が数時間のうちに再開することを可能にすることができ、他方で、サーマル再生器２７０がない場合には、超電導磁石システムがその正常動作モードに戻るのに何日も必要としうる。

図３は、超電導磁石を冷却する方法３００の例示の実施形態の動作を示す。ある実施形態において、方法３００の動作は、図２の超電導磁石システム２００によって実施されることができる。

方法３００は、超電導磁石（例えば図２の素子２３５）から、超電導磁石を冷却するために１又は複数の重力送りの冷却管（例えば図２の素子２３０）に配される第１の極低温流体に熱を伝達する動作３１０を含むことができる。ある実施形態において、第１の極低温流体は、低温ヘリウムガスのような気体状態にある。低温ヘリウムガスは、重力送りの冷却管の底部に配置された超電導磁石に提供され、熱が超電導磁石から低温ヘリウムガスへ伝達されるにつれて、低温ヘリウムガスの温度は上昇する。「より暖かい」ヘリウムガスが、冷却管内の圧力の上昇を生じさせ、冷却管は、超電導磁石によって加熱されたより暖かいヘリウムガスを、重力送りの冷却管の上部へ循環させ、更に、超電導磁石から熱を吸収することができる重力送りの冷却管の底部へ、より低温のヘリウムガスを送る。

方法３００は、更に、熱交換器（例えば図２の素子２４０）を通じて、１又は複数の重力送りの冷却管内の第１の極低温流体から、極低温冷却装置（例えば図２の素子２１０）に熱を伝達する動作３２０を含むことができ、熱交換器は、その中に配置された極低温液体（例えば液体ヘリウム）を含む第２の極低温流体の或る量を有する。ある実施形態において、熱交換器は、重力送りの冷却管の最上部に配置され、超電導磁石によって加熱されたより暖かいヘリウムガスは、重力送りの冷却管の最上部に循環し、そこで、熱交換器に配置されている第２の極低温流体と熱を交換する。ヘリウムガスから熱交換器の或る量の第２の極低温流体への熱の伝達は、ヘリウムガスの温度及び圧力を低下させ、温度及び圧力の低下されたヘリウムガスは、重力送りの冷却管の底部に戻るように循環して、（上述の動作３１０に説明したように）超電導磁石からより多くの熱を吸収する。

重力送りの冷却管のヘリウムガスによって加熱される第２の極低温流体は、極低温冷却装置にその熱を伝達する。ある実施形態において、極低温冷却装置は、第１の温度（例えば約４０Ｋ）で動作するように構成される第１のステージ素子（例えば図２の素子２１２）と、第１の温度より低い第２の温度（例えば約４Ｋ）で動作するように構成される第２のステージ素子（例えば図２の素子２１４）とを少なくとも有し、熱交換器は、１又は複数の重力送りの冷却管から極低温冷却装置の第２のステージ素子に熱を伝達する。ある実施形態において、熱は、冷却ループ（例えば図２の素子２４５）を通じて、熱交換器から極低温冷却装置の第２のステージ素子に伝達される。

上述したように、ある例では、極低温冷却装置２１０は、電力の損失、又は故障、ルーチンメンテナンスのようなさまざまな理由のため、適切に動作することを止めることがある。その場合、熱交換器に保管された極低温流体（例えば液体ヘリウム）の一部が、ボイルオフすることがある。

従って、方法３００は、熱交換器から保管装置（例えば図２の素子２５０）にボイルオフしたガスを提供する動作３３０を含むことができ、保管装置は、ボイルオフしたガスの少なくとも一部をその中に保管するように構成される。これは、超電導磁石システムが磁石クエンチを経験することなく、極低温冷却装置による冷却の損失をライドスルーすることを可能にすることができる時間期間を増大することができる。

磁石クエンチを一層遅延させ又は防ぐために、方法３００は、図２の超電導磁石システム２００に関して上述したように、保管装置から極低温冷却装置の第１のステージに熱を伝達する動作３４０を含むことができる。

更に、極低温冷却装置が動作を中止した後に、超電導磁石システムの正常動作を復旧するのに必要な時間期間を短縮するために、方法３００は、図２の超電導磁石システム２００に関して上述したように、保管装置からサーマル再生器にボイルオフしたガスの少なくとも一部を供給する動作３５０を含むことができる。

他の実施形態において、超電導磁石を冷却する方法は、超電導磁石システム２００及び図２に関して上述された１又は複数のさまざまな他の動作を含むことができる。

好適な実施形態がここに開示されているが、本発明の概念及び範囲の中にある多くの変更例が可能である。このような変更例は、この明細書、図面及び請求項の検討の後に当業者に明らかになる。添えられた請求項の範囲内であること以外は、本発明は従って制限されないことになっている。

Claims (18)

1. 超電導磁石を冷却するための第１の極低温流体をその中に有するように構成される１又は複数の重力送りの冷却管と、
   前記１又は複数の重力送りの冷却管から極低温冷却装置の第２のステージ素子に熱を伝達するように構成される第１の熱交換器であって、前記第１の極低温流体を冷却する第２の極低温流体の或る量をその中に保管するように構成される第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器に接続される入力部を有し、前記極低温冷却装置が動作を停止する場合に前記第１の熱交換器からボイルオフしたガスを受け取り保管するように構成される保管装置と、
   前記保管装置から前記極低温冷却装置の第１のステージ素子に熱を伝達するように構成される第２の熱交換器と、
   を有する装置。
2. 筐体と、
   前記筐体内に配される熱シールドであって、内側領域を規定し、更に前記熱シールドと前記筐体の壁との間の真空空間を規定する熱シールドと、
   を更に有し、前記１又は複数の重力送りの冷却管、前記第１の熱交換器、前記保管装置、及び前記第２の熱交換器が、前記内側領域内に配される、請求項１に記載の装置。
3. 前記保管装置の出力部に接続される入力部と、前記筐体の外側に接続される出力部と、を有するサーマル再生器を更に有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記サーマル再生器が、前記熱シールドと前記筐体の壁との間で真空空間に少なくとも部分的に配される、請求項３に記載の装置。
5. 前記筐体の外側に配され、前記サーマル再生器の出力部に接続される第２の保管装置を更に有する、請求項３に記載の装置。
6. 前記第２の熱交換器から前記極低温冷却装置の前記第１のステージ素子に熱を伝達するコールドプレートを更に有する、請求項１に記載の装置。
7. 前記超電導磁石の両端に接続される永久電流スイッチと、
   前記超電導磁石に接続される第１の端部、及び前記コールドプレートに接続される第２の端部を有する少なくとも１つの高温超電導電気リードと、
   を更に有する、請求項６に記載の装置。
8. 前記保管装置は、少なくとも３リットルのボイルオフしたガスを保管する容量を有する、請求項１に記載の装置。
9. 前記極低温冷却装置の前記第１のステージ素子は、第１の温度で動作するように構成され、前記極低温冷却装置の前記第２のステージ素子は、前記第１の温度より低い第２の温度で動作するように構成され、
   前記装置は更に、サーマルスイッチを有し、前記サーマルスイッチは、前記第１の熱交換器が前記第１の温度より大きい温度を有する場合に前記第１の熱交換器から前記極低温冷却装置の前記第１のステージ素子に熱を伝達するように構成され、前記第１の熱交換器の温度が前記第１の温度をより低い場合に前記極低温冷却装置の前記第１のステージ素子から前記第１の熱交換器への熱の伝達を防ぐように構成される、請求項１に記載の装置。
10. 超電導磁石を冷却するための第１の極低温流体をその中に配するように構成される１又は複数の重力送りの冷却管と、
    極低温液体を含む第２の極低温流体の或る量をその中に保管するように構成される熱交換器であって、前記第２の極低温流体は、前記第１の極低温流体から隔てられ物理的に分離されており、前記熱交換器は、前記１又は複数の重力送りの冷却管から極低温冷却装置に熱を伝送し、前記極低温冷却装置は、少なくとも第１のステージ素子及び第２のステージ素子を有し、前記熱交換器は、前記１又は複数の重力送りの冷却管から前記極低温冷却装置の前記第２のステージ素子に熱を伝送するように構成される、熱交換器と、
    前記熱交換器に接続される入力部を有し、前記熱交換器からボイルオフしたガスを受け取り保管する保管装置と、
    前記保管装置から前記極低温冷却装置の前記第１のステージ素子に熱を伝送するように構成される第２の熱交換器と、
    を有する装置。
11. 前記保管装置の出力部に接続される入力部を有するサーマル再生器を更に有する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記重力送りの冷却管、前記熱交換器、及び前記保管装置が、筐体内に配され、前記サーマル再生器が、前記筐体の外部に接続される出力部を有する、請求項１１に記載の装置。
13. 前記筐体の外部に配され、前記サーマル再生器の出力部に接続される第２の保管装置を更に有する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記第１のステージ素子が、第１の温度で動作するように構成され、第２のステージ素子が、前記第１の温度より低い第２の温度で動作するように構成され、請求項１０に記載の装置。
15. 前記第１のステージ素子は、第１の温度で動作するように構成され、
    前記装置が更にサーマルスイッチを有し、前記サーマルスイッチは、前記熱交換器が前記第１の温度より高い温度を有する場合に前記熱交換器から前記極低温冷却装置の第１のステージ素子に熱を伝達するように構成され、前記熱交換器の温度が前記第１の温度より低い場合に前記極低温冷却装置の第１のステージ素子から前記熱交換器への熱の伝達を防ぐように構成される、請求項１０に記載の装置。
16. 超電導磁石から、１又は複数の重力送りの冷却管内に配された第１の極低温流体に熱を伝達するステップと、
    第２の極低温流体を有する熱交換器を通じて、前記１又は複数の重力送りの冷却管内の第１の極低温流体から、極低温液体を有する極低温冷却装置に熱を伝達するステップであって、前記第２の極低温流体は、前記第１の極低温流体から隔てられ物理的に分離されており、前記極低温冷却装置が、少なくとも第１のステージ素子及び第２のステージ素子を有し、前記熱交換器が、前記１又は複数の重力送りの冷却管から前記極低温冷却装置の前記第２のステージ素子に熱を伝達する、ステップと、
    前記熱交換器からのボイルオフしたガスを、ボイルオフしたガスの少なくとも一部をその中に保管するように構成される保管装置に提供するステップと、
    前記保管装置から前記極低温冷却装置の前記第１のステージ素子に熱を伝達するステップと、
    を有する方法。
17. 前記第１のステージ素子が、第１の温度で動作するように構成され、前記第２のステージ素子が、前記第１の温度より低い第２の温度で動作するように構成される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記保管装置からサーマル再生器にボイルオフしたガスの少なくとも一部を供給するステップを更に有する、請求項１６に記載の方法。

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