JP2605937B2

JP2605937B2 - 極低温装置

Info

Publication number: JP2605937B2
Application number: JP2225621A
Authority: JP
Inventors: 隆博松本; 一樹森津
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1990-08-27
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: JPH04106373A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は磁気共鳴診断装置の超電導マグネット等の
超電導機器の極低温装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第２図は、例えば米国特許USP3894403に示された従来
の極低温装置を示す断面図である。図において、（１）
は超電導コイル、（２）はこの超電導コイル（１）を冷
却する液体ヘリウム、（３）は超電導コイル（１）およ
び液体ヘリウム（２を収納する液体ヘリウム容器、
（４）はこの液体ヘリウム容器（４）を包囲し、外部か
らの液体ヘリウム容器（３）へ侵入する輻射熱を低減す
る第１の熱シールド、（５）は第１の熱シールド（４）
を包囲し、外部から第１の熱シールド（４）へ侵入する
輻射熱を低減する第２の熱シールド、（６）は液体ヘリ
ウム容器（３）、第１の熱シールド（４）及び第２の熱
シールド（５）を内蔵し、内部を真空を保持することに
よって真空断熱する真空容器、（７）は第１の熱シール
ド（４）及び第２の熱シールド（５）を冷却する冷凍
機、（８）は冷凍機にヘリウムガスを供給する圧縮機、
（９）は内部に冷凍機（７）の第１の冷却部（10）及び
第２の冷却部（11）を収納するとともに、内部にガスを
内蔵し、冷凍機（７）の第１の冷却部（10）から第２の
熱シールド（５）の間の熱伝達を行い、冷凍機（７）の
第２の冷却部（11）から第１の熱シールド（４）の間の
熱伝達を行うパイプ、（12）は液体ヘリウム容器（３）
の開口部である。（13）は超電導コイル（１）に電流を
供給する電流リード、（14）、（15）は電流リード（1
3）と超電導コイル（１）との間の接点部である。

第２図の従来の極低温装置は以上のように構成されて
おり、冷凍機（７）の第１の冷却部（10）は約60Kまで
冷却され、これに接続されている第２の熱シールド
（５）は60Kよりも少し高い温度まで冷却される。ま
た、第２の冷却部（11）は約10Kまで冷却され、これに
接続されている第１の熱シールド（４）は10Kより少し
高い温度まで冷却される。超電導コイル（１）は液体ヘ
リウム（２）によって4.2Kに冷却されるが、液体ヘリウ
ム（２）は第１の熱シールド（４）が10K程度にしか冷
却されていないのでわずかではあるが蒸発する。液体ヘ
リウム（２）の蒸発による圧力上昇に耐えるだけの強度
を持っている。

第３図は米国特許USP4223540に示された他の従来例で
ある。図において（１）〜（８）、（10）、（11）は第
２図の従来例のものと同一または相当部分である。（9
a）は液体ヘリウム容器（３）に連結され、内部に冷凍
機（７）を収納したパイプ、（16）は第２の熱シールド
（５）に熱を伝える熱伝達部、（17）は第１の熱シール
ド（４）に熱を伝える熱伝達部、（18）は圧縮機、（1
9）は圧縮機（18）により圧縮され機内へ送気される約3
00Kのヘリウムガスと、機内から圧縮機に戻る約70Kのヘ
リウムガスとの熱交換を行う第１の熱交換器、（20）は
冷凍機（７）の第１の冷却部（10）により機内へ送気さ
れるヘリウムガスを約70Kに冷却する第１の冷却器、（2
1）は機内へ送気される約70Kに冷却されたヘリウムガス
と、機内から圧縮機に戻る約10Kのヘリウムガスとの熱
交換を行う第２の熱交換器、（22）は冷凍機（７）の第
２の冷却部（11）により機内へ送気されるヘリウムガス
を約10Kに冷却する第２の冷却器、（23）はヘリウムガ
スを断熱膨張させる絞り弁、（24）は液体ヘリウム容器
（３）内の蒸発したヘリウクガスを再凝縮する凝縮器で
ある。

このように、第３図のように構成された他の従来例で
は、第２の熱シールド（５）は冷凍機（７）の第１の冷
却部（10）により冷却され、第１の熱シールド（４）は
冷凍機（７）の第２の冷却部（11）により冷却されてい
る。また、ヘリウム容器（３）内の液体ヘリウム（２）
は僅かの蒸発はあるが、凝縮器（24）で再凝縮され、ほ
とんど消耗することがない。したがって、この第３図の
装置における液体ヘリウム容器（３）は第２図のものに
比べて強度を必要としない。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のように構成された従来の極低温装置では、超電
導コイルを冷却するために液体ヘリウムを内蔵している
ので、ヘリウムの圧力に耐える強度のヘリウム容器を必
要とし、冷凍機の到達温度が10K程度であるので、冷凍
機のみで超電導機器に必要な温度レベルに冷却できない
等の問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためにな
されたものであり、液体ヘリウム容器を使用することな
く超電導コイルを極低温に冷却し、超電導状態が維持で
きる極低温装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る極低温装置は、極低温に冷却できる冷
凍機を使用し、熱の良導体で構成された熱伝導体で超電
導コイルを包囲し、この熱伝導体と冷凍機の極低温冷却
部とを熱的に接続して、超電導コイルを直接冷却すると
ともに熱伝導体の表面に冷却配管を取り付け、必要に応
じて冷却媒体が流通できるようにしたものである。

さらに、複数台の冷凍機を取り付け、それぞれの冷凍
機の各段冷却部をそれぞれ熱シールド及び超電導コイル
を包囲した熱伝導体に接続して直接冷却するようにした
ものである。

複数台の冷凍機の極低温冷却部と超電導機器を包囲し
た熱伝導体とは、適宜熱的に接離可能に熱スイッチを介
して接続したものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例について説明する。第１図
は、この発明の一実施例を示す。図１はにおいて（１）
は超電導コイル、（45）は超電導コイル（１）に熱的に
接触して包囲するように設けられ、超電導コイル（１）
の温度を均一にする熱伝導体、（４）は超電導コイル
（１）、及び熱伝導体（45）に侵入する輻射熱を低減す
る第１の熱シールド、（５）は第１の熱シールド（４）
を包囲し、第１の熱シールド（４）に侵入する輻射熱を
低減する第２の熱シールド、（６）は超電導コイル
（１）、第１の熱シールド（４）及び第２の熱シールド
（５）を内蔵し、内部を真空に保持することによって真
空断熱する真空容器、（26a）は第１の熱シールド
（５）、第１の熱シールド（４）及び熱伝導体（45）を
冷却する冷凍機、（27a）は冷凍機（6a）を駆動する圧
縮機、（28a），（29a）は圧縮機（27a）から冷凍機（2
6a）に高圧ヘリウムガスを供給、回収する連結ホース、
（30a）は冷凍機（26a）のモータ駆動パルプに電力を供
給する電力ケーブルである。（31a）は約70Kまで冷却さ
れる冷凍機（26a）の第１段冷却部、（32a）は第２の熱
シールド（５）に侵入した熱を冷凍機（26a）の第１段
冷却部（31a）に伝える可とう性の熱伝導部材、（33a）
は約20Kまで冷却される冷凍機（26a）の第２段冷却部、
（34a）は第１の熱シールド（４）に侵入した熱を冷凍
機（26a）の第２段冷却部（33a）に伝える可とう性の熱
伝導部材、（35a）は約4Kまで冷却できる冷凍機（26a）
の極低温冷却部、（36a）は熱伝導体（45）に侵入した
熱を冷凍機（26a）の極低温冷却部（35a）に伝える熱伝
導部材、（37a）は熱伝導部材（36a）の一端に設けら
れ、（38a）は熱伝導体（45）に設けられ、互いに接離
する熱接触子、（39a）は熱接触子（37a）を駆動するベ
ローズ、（40a）はベローズ（39a）にヘリウムガスを供
給する配管、（41a）は熱伝導部材（36a）の冷凍機側、
（42a）は熱伝導部材（36a）の熱伝導体（45）側にそれ
ぞれ取付けられた温度センサである。冷凍機（26a）は
これ１台で極低温装置を運転中に極低温に維持する能力
を有するものである。（26a）〜（42a）の構成を冷却Ａ
系統と呼称する。

（26b）〜（42b）は（26a）〜（42a）の冷却Ａ系統に
対応して同一の構成を冷却Ｂ系統として設けたものであ
る。この各部の構成の記号の冷却Ａ系統と同一数字は同
一の構成部品を示す。

（43）は冷凍機（26a）又は（26b）の運転中の冷凍機
の冷凍能力が低下したことを温度センサ（41a）、（42
a）または（41b）、（42b）により検知し、運転、停止
する冷凍機を選択し、切替える制御装置、（44a）、（4
4b）は冷凍機（26a）または（26b）の制御用電源スイッ
チ、（46）は超電導コイル（１）を室温から極低温にま
で冷却するとき及び超電導コイル（１）を励磁するとき
に、液体窒素または液体ヘリウムなどの液体冷媒を供給
する注液口、（47）は超電導コイル（１）を包囲した熱
伝導体（45）の表面に取り付けられた冷却管、（48）は
超電導コイル（１）を励磁する電流リード（49）を挿通
するサービスポートである。注液口（46）から注入され
た液体冷媒は冷却管を流れてサービスポート（48）に流
入するように接続されている。（50）はサービスポート
の排気口、（51）は超電導コイル（１）に付属する永久
電流スイッチ、（52）は冷却管の一部で永久電流スイッ
チ（51）を冷却する冷却管、（53）は超電導コイル
（１）が超電導破壊したとき、超電導コイル（１）を保
護する低抗体またはダイオードなどで構成される保護素
子である。

この発明による極低温装置は以上のように構成されて
おり、通常の運転は冷却Ａ系統または冷却Ｂ系統により
冷却される。例えば冷却Ａ系統で運転されているとして
動作を説明する。

冷凍機（26a）は第１段冷却部（31a）で熱伝導部材
（32a）を介して第２の熱シールド（５）を70Kまで冷却
し、第２段冷却部（32a）は熱伝導部材（34a）を介して
第１の熱シールド（４）を20Kまで冷却し、極低温冷却
部（35a）は熱伝導部材（35a）、熱接触子（37a），（3
8a）を介して熱伝導体（45）を約4Kに冷却する。超電導
コイル（１）は熱伝導体（45）が冷却されることによっ
て冷却され、ほぼ4Kの均一な温度に保持され、超電導破
壊することなく運転できる。この実施例では冷却系統を
２系統設けた構成を示したが、１系統のみで正常に動作
すれば２系統の必要性はない。

第１図の構成では冷却系統を２系統設けられており、
運転されている冷却Ａ系統がの冷却能力が低下した場合
には、温度センサ（41a）、（42a）の検出温度が、超電
導コイル（１）を包囲している熱伝導体（45）側の温度
センサ（41a）の検出温度よりも、冷凍機側の温度セン
サ（42a）の検出温度の方が高くなった場合には冷凍機
の冷却能力が低下したことを示すものであり、また、温
度センサ（41a）が規定値より高くなった場合には、冷
凍機（26a）の能力が低下して来たことを示すものであ
り、このようになった場合に制御装置（43）によって、
冷却Ｂ系統の冷凍機（26b）の電源スイッチ（44b）投入
して運転を開始するとともに、温度センサ（41b）の温
度が規定値まで低下すると、ベローズ（39b）にヘリウ
ムガスを送り、熱接触子（37b），（38b）を熱接続す
る。一方、冷却能力が低下した冷却Ａ系統はベローズ
（39a）のヘリウムガスを減圧し、熱接触子（37a），
（38a）を開くとともに電源スイッチ（44a）を切り冷凍
機（26a）を停止する。

以上は、冷却Ａ系統から冷却Ｂ系統へ切り替える場合
について説明したが、切り替えが逆の場合電源あっても
同様の操作で切り替えができる。

超伝導装置の冷却は定常状態であれば、１台の冷凍機
で十分な冷却能力があるが、超電導コイル（１）の運転
開始するとき、初期冷却、初期励磁のときは１台の冷却
系統では能力が不足するため、第１図の構成では、熱伝
導体（45）に取り付けられた冷却管（47）に冷却媒体を
流通させて早く冷却することができる。また、冷却媒体
は、注液口（46）から注入し熱伝導体（45）部分を冷却
して励磁用リード線（49）を挿通したサービスポート
（48）を経由し、排出口（50）に排出する経路とする
と、電流リード（49）の冷却もできるので効率よく励磁
することができる。

また、超電導コイル（１）に超電導破壊が発生したと
き、超電導コイル（１）に高電圧が発生し、これを防止
するために、保護素子（53）が設けてあり、この保護素
子（53）から多量の熱量が発生する。この熱量に対し
て、超電導コイル（１）を包囲する熱伝導体（45）の熱
容量を確保しておけば、温度上昇を低く押さえることが
できる。

なお、第１図に示した構成は、超電導コイルを用いる
場合について説明したが、その他の超電導現象を用いた
機器、例えばジョセフソン素子、SQUID装置などの場合
でも同様の効果を奏するものである。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、超電導コイルを熱
の良導体で構成された熱伝導体で包囲し、この熱伝導体
と冷凍機の極低温冷却部とを熱的に接続して、超電導コ
イルを直接冷却するとともに熱伝導体の表面に冷却配管
を取り付け、必要に応じて冷却媒体が流通できるように
したので、液体ヘリウム容器を使用する必要がなく冷凍
機のみで超電導コイルを均一に冷却することができ、か
つ初期冷却、初期励磁のときに冷却媒体を流すことによ
り、効率よく運転開始できる効果がある。

また、永久電流スイッチを熱伝導体に取り付け、冷却
管を配管したので、初期励磁の安定状態に容易に移行す
ることができる。

また、冷却配管の排出口は、超電導コイルの励磁用リ
ードが挿通されたサービスポートを経由しているので、
電流リードも冷却され、初期励磁のときの電流リードか
らの熱の侵入をなくすることができる。

また、冷却系統を１系統で冷却能力を有する冷却系統
の冷却Ａ系統と冷却Ｂ系統の２系統を装備したので、１
系統に冷却能力に低下があったとしても系統切り替えに
よって安定した運転ができる。

また、２系統装備された冷却系統のそれぞれの冷凍機
の極低温冷却部は、熱的に接離可能に接続され、外部よ
り接離操作できるように構成されているので、自動的に
冷却系統の切り替え制御ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図、第
３図は従来の実施例を示す断面図である。図中、（１）は超電導コイル、（４）は第１の熱シール
ド、（５）は第２の熱シールド、（６）は真空容器、
（26a），（26b）は冷凍機、（37a），（37b），（38
a），（38b）は熱接触子、（39a），（39b）はベロー
ズ、（43は制御装置、（45）熱伝導体、（46）は注液
口、（47）は冷却管、（48）はサービスポート、（49）
は電流リードである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】極低温下で超電導状態になる超電導コイ
ル、熱の良導体からなり上記超電導コイルを包囲すると
ともに冷却媒体を適宜流通可能とした冷却管を取付た熱
伝導体、該熱伝導体を包囲して外部からの輻射熱を遮蔽
する熱シールド、上記超電導コイルを包囲した熱伝導体
および熱シールドを収容し、内部が真空に保持された真
空容器、該真空容器内に突出して取り付けられ、中間冷
却部及び極低温冷却部を有する冷凍機を備え、上記熱シ
ールドは冷凍機の中間冷却部と熱接続され、上記熱伝導
体は冷凍機の極低温冷却部と熱接続されていることを特
徴とする極低温装置。
【請求項２】超電導コイルを包囲した熱伝導体の表面に
永久電流スイッチを取り付けるとともに、冷却媒体が適
宜流通できるように冷却管が取付られていることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の極低温装置。
【請求項３】熱伝導体の表面に、取付られた冷却配管の
冷却媒体の排出口は超電導機器を励磁する電流リードが
挿通されたサービスポートに接続されていることを特徴
とする第１項または第２項のいずれかに記載の極低温装
置。
【請求項４】極低温下で超電導状態になる超電導コイ
ル、該超電導コイルを包囲する熱の良導体で構成された
熱伝導体、該熱伝導体を包囲し、外部からの輻射熱を遮
蔽する熱シールド、上記超電導コイルを包囲した熱伝導
体および熱シールドを収容し、内部が真空に保持された
真空容器、中間冷却部及び極低温冷却部を有する冷凍機
が複数台真空容器内に突出して取り付けられ、それぞれ
の冷凍機の中間冷却部は熱シールドに、極低温冷却部は
上記熱伝導体に熱接続され、複数台の極低温冷凍機は選
択的に動作させる手段を備えたことを特徴とする極低温
装置。
【請求項５】複数台の極低温冷凍機の極低温冷却部と超
伝導機器を包囲する熱伝導体とを熱的に接離可能な熱ス
イッチにより接続されていることを特徴とする特許請求
の範囲第４項記載の極低温装置。