JP2020031160A - 超伝導磁石冷却装置および超伝導磁石冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導磁石が発生させる高磁場による超伝導磁石の冷却への影響を低減する。
【解決手段】超伝導磁石冷却装置１００は、０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場となる高磁場領域１０６を周囲に発生させる超伝導磁石１０２と、超伝導磁石１０２のための冷却源としての冷却ステージ１８と、冷却ステージ１８に隣接して固定的に設置され、磁性蓄冷材２３を有する蓄冷器２２と、を備えるパルス管冷凍機１０と、を備える。冷却ステージ１８は、磁性蓄冷材２３が高磁場領域１０６に配置されるように、超伝導磁石１０２の近傍に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導磁石冷却装置および超伝導磁石冷却方法に関する。

一般に、例えばＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）システムまたはＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）システムなどの高磁場利用機器には、必要な高磁場を発生させる超伝導磁石が搭載されうる。超伝導磁石は、超伝導状態を維持することができるように例えば液体ヘリウム温度以下の冷却温度に冷却され、それにより高磁場を発生させうる。

特開２００４−１４４４３１号公報

本発明者らは、超伝導磁石の冷却について鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。超伝導磁石の冷却のために、例えばいわゆる４Ｋ−ＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機などの磁性蓄冷材を有する極低温冷凍機がよく用いられている。磁性蓄冷材が高磁場にさらされたとすると、とくに磁性蓄冷材がそうした高磁場の領域で移動する場合には、磁性蓄冷材が高磁場から受ける作用に起因して、極低温冷凍機の冷却性能に影響が生じうる。なお、本発明者らによって認識されたこうした課題は、当業者に一般的な認識であると理解されるべきではない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超伝導磁石が発生させる高磁場による影響を低減する超伝導磁石冷却技術を提供することにある。

本発明のある態様によると、超伝導磁石冷却装置は、０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場となる高磁場領域を周囲に発生させる超伝導磁石と、超伝導磁石のための冷却源としての冷却ステージと、冷却ステージに隣接して固定的に設置され、磁性蓄冷材を有する蓄冷器と、を備えるパルス管冷凍機と、を備える。冷却ステージは、磁性蓄冷材が高磁場領域に配置されるように、超伝導磁石の近傍に配置されている。

本発明の別の態様は、パルス管冷凍機を用いる超伝導磁石冷却方法に関する。パルス管冷凍機は、超伝導磁石のための冷却源としての冷却ステージと、冷却ステージに隣接して固定的に設置され、磁性蓄冷材を有する蓄冷器と、を備える。この方法は、超伝導磁石の作動により０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場となる高磁場領域に磁性蓄冷材が配置されるように、冷却ステージを超伝導磁石の近傍に配置することと、冷却ステージを冷却することによって、超伝導磁石を冷却することと、を備える。

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、方法、装置、システム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。

本発明によれば、超伝導磁石が発生させる高磁場による超伝導磁石の冷却への影響を低減することができる。

ある実施の形態に係る超伝導磁石冷却装置を概略的に示す図である。 ある実施の形態に係る超伝導磁石冷却装置の他の例を概略的に示す図である。 ある実施の形態に係る超伝導磁石冷却方法を示すフローチャートである。 極低温冷凍機の冷却温度の磁場依存性を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において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し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、ある実施の形態に係る超伝導磁石冷却装置１００を概略的に示す図である。超伝導磁石冷却装置１００は、超伝導磁石１０２と、クライオスタット１０４と、パルス管冷凍機１０とを備える。

超伝導磁石１０２は、作動中に、高磁場となる高磁場領域１０６を周囲に発生させるように構成され、例えば、超伝導コイルを備える。超伝導磁石１０２は、例えばＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。超伝導磁石１０２が発生させることができる最大の磁場（すなわち、高磁場利用機器において使用可能な最大の磁場）は、例えば、約５〜２０Ｔの範囲にあってもよい。

超伝導磁石１０２によって発生する高磁場領域１０６における高磁場は、例えば、約０．８Ｔ以上、または約１Ｔ以上の磁場であってもよい。また、高磁場領域１０６における高磁場は、例えば、約４．５Ｔ以下、または約４Ｔ以下の磁場であってもよい。高磁場領域１０６における高磁場は、超伝導磁石１０２が発生させることができる最大の磁場より低くてもよい。超伝導磁石１０２は、静磁場を発生させるように構成され、または、必要に応じて静磁場の大きさを調整しまたは変化させるように構成されていてもよい。ある代替的な実施の形態においては、超伝導磁石１０２は、動的に変動する磁場を発生させてもよい。

クライオスタット１０４は、液体冷媒槽１０４ａと、熱シールド１０４ｂと、真空容器１０４ｃとを備える。超伝導磁石１０２は、クライオスタット１０４の内部において、支持脚またはその他の支持部材（図示せず）によって、固定的に支持されていてもよい。

液体冷媒槽１０４ａは、超伝導磁石１０２が液体冷媒１０４ｄとの接触により冷却されるように超伝導磁石１０２を液体冷媒１０４ｄとともに収容するように構成されている。通例、液体冷媒１０４ｄとしては例えば液体ヘリウムが使用されるので、液体冷媒槽１０４ａは、液体ヘリウム槽と呼ぶこともできる。

熱シールド１０４ｂは、液体冷媒槽１０４ａの周囲に配置され、熱シールド１０４ｂの外から侵入しうる輻射熱から液体冷媒槽１０４ａおよび超伝導磁石１０２を熱的に保護するように構成されている。真空容器１０４ｃは、その内部に真空環境を保持するとともに、その真空環境に超伝導磁石１０２、液体冷媒槽１０４ａ、および熱シールド１０４ｂを収容するように構成されている。真空容器１０４ｃと熱シールド１０４ｂとの間には断熱材料で形成された断熱層が設けられていてもよい。真空容器１０４ｃの周囲は室温大気圧環境であってもよい。

高磁場領域１０６は、液体冷媒槽１０４ａにおいて超伝導磁石１０２の設置場所を含む少なくとも一部の領域に及ぶ。高磁場領域１０６は、液体冷媒槽１０４ａの全体を含んでもよく、及び／または、液体冷媒槽１０４ａの外側まで及んでいてもよい。あるいは、高磁場領域１０６は、超伝導磁石１０２の設置場所を含むクライオスタット１０４の内部領域の少なくとも一部に及んでもよく、及び／または、クライオスタット１０４の外側まで及んでいてもよい。

超伝導磁石１０２から離れるにつれて、その場所での磁場は低下する。したがって、例えば、クライオスタット１０４の周囲、及び／またはクライオスタット１０４から離れた場所には、低磁場領域１０８が存在する。本説明では、超伝導磁石１０２が高磁場領域１０６に高磁場を発生させるとき、パルス管冷凍機１０の冷却運転に顕著な影響を与えないような低磁場となる場所は、低磁場領域１０８とみなされてもよい。低磁場領域１０８の低磁場は、例えば、０．１Ｔ以下、または０．０５Ｔ以下、または０．０２Ｔ以下であってもよい。低磁場領域１０８には、地磁気またはその他の微弱な磁場が存在してもよい。よって、低磁場領域１０８の低磁場は、例えば１μＴ以上、または１０μＴ以上、または１００μＴ以上であってもよい。

なお、低磁場領域１０８を形成するために、専用の磁気シールドは設けられていない。しかしながら、ある代替的な実施の形態においては、クライオスタット１０４の外側及び／または内側に磁気シールドが設置され、磁気シールドの内部に低磁場領域１０８が定められてもよい。

パルス管冷凍機１０は、超伝導磁石１０２が超伝導状態を維持することができるように適切な冷却温度、例えば液体ヘリウム温度（大気圧下で約４．２Ｋ）以下の温度に超伝導磁石１０２を冷却するように構成されている。パルス管冷凍機１０は、ＧＭ方式の二段式のパルス管冷凍機として構成され、圧縮機１２と、コールドヘッド１４と、バルブユニット１６とを備える。コールドヘッド１４は、冷却ステージ１８、パルス管２０、蓄冷器２２、フランジ部２４、および室温部２６を備える。本説明では、そうではないと言及しない限り、冷却ステージ１８、パルス管２０、および蓄冷器２２はそれぞれ、パルス管冷凍機１０の第２段の冷却ステージ、パルス管、および蓄冷器を指すものとする。

圧縮機１２は、その低圧側から回収した作動ガスを高圧側から送出するように構成され、すなわち、作動ガスの定常流を生み出すように働く。通例、作動ガスは例えばヘリウムガスである。パルス管冷凍機１０においては冷却運転中に、第１高圧を有する作動ガスが圧縮機１２からバルブユニット１６を介してコールドヘッド１４に供給される。コールドヘッド１４における断熱膨張により、作動ガスは第１高圧からそれより低い第２高圧に減圧される。第２高圧を有する作動ガスは、コールドヘッド１４からバルブユニット１６を介して圧縮機１２に回収される。圧縮機は、回収された第２高圧を有する作動ガスを圧縮する。作動ガスは再び第１高圧に昇圧される。こうして高圧の作動ガスが圧縮機とコールドヘッドを循環する。

一般に第１高圧及び第２高圧はともに大気圧よりかなり高い。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。通例、高圧は例えば２〜３ＭＰａである。低圧は例えば０．５〜１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。これに対して、液体冷媒槽１０４ａにおける圧力は例えば大気圧程度でありうる。そのため、パルス管冷凍機１０の作動ガスと液体冷媒１０４ｄは、例えばヘリウムのように同種でありうるが、パルス管冷凍機１０の作動ガス回路は液体冷媒槽１０４ａから隔離され、作動ガスと液体冷媒１０４ｄとの間に相互の流通はない。

例示的な構成においては、パルス管２０は内部を空洞とする円筒状の管であり、蓄冷器２２は内部に蓄冷材を充填した円筒状の管であり、両者は互いに隣り合って各々の中心軸を平行として配置されている。パルス管２０の低温端と蓄冷器２２の低温端とは冷却ステージ１８によって構造的に接続され熱的に結合されている。また、冷却ステージ１８は、パルス管２０の低温端と蓄冷器２２の低温端との間で作動ガスの流通を可能とするように構成されている。すなわち、パルス管２０の低温端と蓄冷器２２の低温端との間で冷却ステージ１８を通じて作動ガスが流れることができる。

蓄冷器２２は、磁性蓄冷材２３を有し、冷却ステージ１８に隣接して固定的に設置されている。したがって、蓄冷器２２および磁性蓄冷材２３は、パルス管冷凍機１０の運転中、冷却ステージ１８に対して移動せず、静止している。磁性蓄冷材２３は、例えば、蓄冷器２２の低温側に、すなわち冷却ステージ１８に隣接して配置されている。磁性蓄冷材２３は、例えばＨｏＣｕ_２、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ（ＧＯＳ）、またはその他の磁性蓄冷材であってもよい。蓄冷器２２は高温側に、例えばスズ、亜鉛、ビスマス、鉛またはその他の非磁性蓄冷材を有してもよい。

冷却ステージ１８は、超伝導磁石１０２のための冷却源として設けられている。冷却ステージ１８は、液体冷媒槽１０４ａ内で気化した液体冷媒１０４ｄを再凝縮するように構成されている。冷却ステージ１８は、液体冷媒１０４ｄに浸らないように、液体冷媒槽１０４ａ内において液体冷媒１０４ｄの外、例えば液体冷媒１０４ｄの液面の上方に配置されている。よって、冷却ステージ１８および磁性蓄冷材２３は、超伝導磁石１０２の直上または斜め上方に配置されていてもよい。

このようにして、冷却ステージ１８は、磁性蓄冷材２３が高磁場領域１０６に配置されるように、超伝導磁石１０２の近傍に配置されている。冷却ステージ１８も高磁場領域１０６に配置される。

パルス管冷凍機１０は、フランジ部２４を介してクライオスタット１０４に取り付けられている。フランジ部２４は、真空容器１０４ｃに設けられた対応するフランジ部に例えばボルトおよびナットなどの適宜の締結手段を用いて固定される。フランジ部２４の一方の主表面から第１段のパルス管および蓄冷器が第１段の冷却ステージへと延び、そこから（第２段の）パルス管２０および蓄冷器２２が冷却ステージ１８へと延びている。フランジ部２４の他方の主表面には室温部２６が設けられている。冷却ステージ１８、パルス管２０、および蓄冷器２２は、真空容器１０４ｃに収容され、室温部２６は、真空容器１０４ｃの外に配置される。

したがって、パルス管冷凍機１０はクライオスタット１０４に固定的に支持されているから、蓄冷器２２すなわち磁性蓄冷材２３も、冷却運転中に静止状態に保たれる。磁性蓄冷材２３は、高磁場領域１０６の高磁場に対する相対移動をすることなく、磁場に対して静止している。

バルブユニット１６は、圧力切替バルブ２８と、モータ３０とを備える。圧力切替バルブ２８は、パルス管２０に圧力振動を生成するように構成されている。圧力切替バルブ２８は、圧縮機１２の高圧側と低圧側とを周期的に切り替えてコールドヘッド１４、すなわちパルス管２０および蓄冷器２２に接続する流路切替弁として構成され、例えばロータリーバルブの形式をとる。モータ３０は、圧力切替バルブ２８を駆動するように構成されている。圧力切替バルブ２８がロータリーバルブである場合、モータ３０は、ロータリーバルブを回転させる電気モータであってもよい。

バルブユニット１６のうち少なくともモータ３０は、低磁場領域１０８に配置されている。バルブユニット１６の全体が低磁場領域１０８に配置されていてもよい。上述のように、低磁場領域１０８は、超伝導磁石１０２が高磁場領域１０６に高磁場を発生させるとき例えば０．１Ｔ以下の低磁場となる場所を指す。圧縮機１２も低磁場領域１０８に配置されている。パルス管冷凍機１０のうち少なくとも室温部２６は、低磁場領域１０８に配置されていてもよい。

圧縮機１２、コールドヘッド１４、およびバルブユニット１６は、互いに離れて配置されている。バルブユニット１６は、圧縮機１２とコールドヘッド１４との間で作動ガスの流通を可能とするように圧縮機１２とコールドヘッド１４とを連結する。圧縮機１２とコールドヘッド１４との間でバルブユニット１６を通じて作動ガスが流れることができる。上述のようにコールドヘッド１４はクライオスタット１０４に取り付けられているのに対し、圧縮機１２およびバルブユニット１６は、クライオスタット１０４の周囲、またはクライオスタット１０４から離れた場所に配置されている。このように、パルス管冷凍機１０は、バルブユニット１６がコールドヘッド１４から分離して配置されるバルブユニット分離型の構成を有する。

圧縮機１２の高圧側がバルブユニット１６の高圧ポートと高圧配管３２ａにより接続され、圧縮機１２の低圧側がバルブユニット１６の低圧ポートと低圧配管３２ｂにより接続されている。また、バルブユニット１６のコールドヘッドポートがコールドヘッド１４の室温部２６と吸排気配管３２ｃにより接続されている。圧力切替バルブ２８は、モータ３０の駆動により、高圧ポートをコールドヘッドポートに接続する第１状態と、低圧ポートをコールドヘッドポートに接続する第２状態とを切り替えることができる。高圧配管３２ａ、低圧配管３２ｂ、および吸排気配管３２ｃは、フレキシブル管または剛性管であってもよい。

知られているように、パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ１８を冷却する熱力学的サイクルを形成するために位相制御機構を有する。圧力切替バルブ２８は、単体で、または、必要に応じて設けられたバッファタンク（図示せず）とともに、位相制御機構としても働くように構成されている。パルス管冷凍機１０の位相制御機構としては、例えば、ダブルインレット型、４バルブ型、アクティブバッファ型、またはその他種々の公知の構成を適宜採用することができるので、ここでは詳述しない。

このような構成により、パルス管冷凍機１０は、作動ガスの圧力振動に対しパルス管２０内のガス要素（ガスピストンとも呼ばれる）の変位振動の位相を適切に遅らせることによって、パルス管２０の低温端にＰＶ仕事を発生し、冷却ステージ１８を冷却することができる。このようにして、パルス管冷凍機１０が運転されることにより、超伝導磁石冷却装置１００は、超伝導磁石１０２を冷却することができる。

また、超伝導磁石冷却装置１００は、熱シールド１０４ｂを冷却するシールドクーラー１１０を備える。シールドクーラー１１０によって熱シールド１０４ｂは、冷却ステージ１８および超伝導磁石１０２の冷却温度より高い冷却温度、例えば約１０Ｋ〜約１００Ｋに冷却される。シールドクーラー１１０は、例えば、単段式のＧＭ冷凍機であるが、二段式のＧＭ冷凍機、単段式または二段式のパルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。シールドクーラー１１０は、熱シールド１０４ｂの冷却源となる冷却ステージが真空容器１０４ｃ内に配置されるようにして、真空容器１０４ｃに取り付けられている。

なお、パルス管冷凍機１０の第１段の冷却ステージは、熱シールド１０４ｂから熱的に切り離され、熱シールド１０４ｂ内（液体冷媒槽１０４ａの外）に配置されている。しかし、ある代替的な実施の形態においては、シールドクーラー１１０に代えて（または、シールドクーラー１１０とともに）、パルス管冷凍機１０の第１段の冷却ステージが熱シールド１０４ｂに熱的に結合され、熱シールド１０４ｂの冷却に利用されてもよい。

図１に示される超伝導磁石冷却装置１００では、液体冷媒１０４ｄにより超伝導磁石１０２を冷却し、それにより気化した液体冷媒１０４ｄをパルス管冷凍機１０により冷却して再凝縮するという冷却方式を採用するが、超伝導磁石１０２の冷却方式はこれに限られない。超伝導磁石１０２の冷却方式の他の一例を、図２を参照して以下に述べる。

図２は、ある実施の形態に係る超伝導磁石冷却装置１００の他の例を概略的に示す図である。図２に示される超伝導磁石冷却装置１００では、伝導冷却による冷却方式が採用される。

そこで、パルス管冷凍機１０の冷却ステージ１８は、超伝導磁石１０２を冷却すべく超伝導磁石１０２に伝熱部材３４を介して取り付けられている。伝熱部材３４は、伝熱プレート、伝熱ロッド、またはその他の伝熱部材であってもよい。伝熱部材３４は、例えば高純度のアルミニウムなどの低い熱抵抗を有する金属またはその他の材料でされていてもよい。あるいは、伝熱部材３４は、冷却ステージ１８と同様に、例えば銅などの高い熱伝導率を有する金属またはその他の材料で形成されていてもよい。良好な熱接触を可能とするようにして、伝熱部材３４の一端または一部分が冷却ステージ１８に取り付けられ、伝熱部材３４の他端または他の一部分が超伝導磁石１０２に取り付けられている。なお、冷却ステージ１８は、超伝導磁石１０２を冷却すべく、伝熱部材３４を介在することなく超伝導磁石１０２に直接に取り付けられていてもよい。

図２に示される実施の形態においても、冷却ステージ１８は、磁性蓄冷材２３が高磁場領域１０６に配置されるように、超伝導磁石１０２の近傍に配置されている。そのため、伝熱部材３４を介した冷却ステージ１８から超伝導磁石１０２への伝熱経路の長さＬが比較的短くなる。これにより伝熱損失が低減され、パルス管冷凍機１０による超伝導磁石１０２の冷却効率が向上される。例えば、伝熱部材３４を介した冷却ステージ１８から超伝導磁石１０２への伝熱経路の長さＬは、超伝導磁石１０２の直径Ｄより短くてもよい。

なお、伝導冷却の場合、クライオスタット１０４は、液体冷媒槽１０４ａを有しない。しかし、望まれる場合には、クライオスタット１０４は液体冷媒槽１０４ａを有してもよく、超伝導磁石１０２は、液体冷媒１０４ｄによる冷却を伝導冷却と併用して冷却されてもよい。

図３は、ある実施の形態に係る超伝導磁石冷却方法を示すフローチャートである。この方法においては、まず、超伝導磁石１０２の作動により０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場となる高磁場領域１０６に磁性蓄冷材２３が配置されるように、冷却ステージ１８が超伝導磁石１０２の近傍に配置される（Ｓ１０）。

例えば、冷却ステージ１８がクライオスタット１０４内へと挿入され、パルス管冷凍機１０のフランジ部２４がクライオスタット１０４の真空容器１０４ｃに取り付けられる。冷却ステージ１８は、液体冷媒槽１０４ａ内において液体冷媒１０４ｄと接触しない場所、例えば液体冷媒１０４ｄの液面の上方に配置される。あるいは、冷却ステージ１８は、超伝導磁石１０２に直接に又は伝熱部材３４を介して取り付けられてもよい。このようにして、冷却ステージ１８および磁性蓄冷材２３が超伝導磁石１０２の直上または斜め上方に配置されてもよい。

冷却ステージ１８を冷却することによって、超伝導磁石１０２が冷却される（Ｓ１２）。パルス管冷凍機１０が運転されることにより、冷却ステージ１８は、液体ヘリウム温度以下の適切な冷却温度に冷却される。超伝導磁石１０２が液体冷媒槽１０４ａ内に収容され液体冷媒１０４ｄに浸されている場合には、超伝導磁石１０２との熱交換により気化した液体冷媒１０４ｄが冷却ステージ１８により再凝縮され、再び液体冷媒１０４ｄとして超伝導磁石１０２の冷却に使用される。伝導冷却の場合には、冷却ステージ１８は、直接に又は伝熱部材３４を介して超伝導磁石１０２を冷却する。いずれにしても、冷却ステージ１８を冷却することによって、超伝導磁石１０２は、作動中に超伝導状態を維持することができるように液体ヘリウム温度以下に冷却される。

冷却ステージ１８の冷却とともに、シールドクーラー１１０がクライオスタット１０４に設置されている場合には、シールドクーラー１１０が運転されることにより、熱シールド１０４ｂが冷却ステージ１８の冷却温度よりも高い適切な冷却温度に冷却される。上述のように熱シールド１０４ｂがパルス管冷凍機１０によって冷却されてもよい。

高磁場領域１０６に高磁場を発生させるように超伝導磁石１０２が作動する（Ｓ１４）。このようにして、超伝導磁石１０２を作動させ高磁場利用機器に必要な高磁場を発生させながら、パルス管冷凍機１０を使用して超伝導磁石１０２を冷却することができる。

ところで、上述のように、超伝導磁石の冷却には典型的に、４Ｋ−ＧＭ冷凍機が広く利用されている。そうした４Ｋ−ＧＭ冷凍機は二段式であり、第２段の蓄冷器の低温側に磁性蓄冷材を有する。ＧＭ冷凍機は、往復動するディスプレーサに蓄冷器を内蔵しているから、冷凍機の運転に伴って磁性蓄冷材も往復動する。もし、超伝導磁石が発生させる高磁場の領域で磁性蓄冷材が移動したとすると、磁性蓄冷材が高磁場から受ける作用に起因して、ＧＭ冷凍機の冷却性能、とくに液体ヘリウム温度での冷却性能に影響が生じうる。

例えば、超伝導磁石が発生させる高磁場から磁性蓄冷材は力を受ける。この力は、超伝導磁石に対するＧＭ冷凍機の姿勢に依存して、ディスプレーサの往復動の方向に交差する方向に作用しうる。その場合、磁性蓄冷材に作用する力は、ディスプレーサを横向きに変位させうる成分を有することになる。設計上、ディスプレーサは、ディスプレーサを収容するとともにディスプレーサの往復動を案内するシリンダの内部に同軸に配置されかつシリンダとの間にわずかなクリアランスを有する。しかしながら、高磁場によって磁性蓄冷材およびディスプレーサが横向きに力を受けると、ディスプレーサがシリンダに対して偏心し、局所的に両者間の摩耗が大きくなり、及び／または、クリアランスが周方向に不均等となりうる。これは、ＧＭ冷凍機の冷却性能に負の影響を与えうる。

あるいは、超伝導磁石が発生させる高磁場の領域において磁性蓄冷材が移動すると、磁性蓄冷材の表面に渦電流が発生しうる。渦電流はジュール熱を磁性蓄冷材に生じさせ、すなわち磁性蓄冷材の発熱につながりうる。これも、ＧＭ冷凍機の冷却性能に負の影響を与えうる。

超伝導磁石が発生させる高磁場による磁性蓄冷材への影響を軽減するための一つの対策として、ＧＭ冷凍機を超伝導磁石から十分に遠い場所に設置することが考えられる。超伝導磁石１０２から離れるにつれて磁場は低下するから、ＧＭ冷凍機が超伝導磁石から十分に離れていれば、高磁場による磁性蓄冷材への作用は無視しうる。しかしながら、この対策は、装置の大型化という副作用を招きうる。

例えば、液体ヘリウムを使用する冷却方式の場合、冷却ステージと超伝導磁石との間に十分な距離をとるには巨大な液体ヘリウム槽が必要となりうる。また、伝導冷却の場合には、この対策は必然的にＧＭ冷凍機から超伝導磁石への伝熱経路を長くするから、伝熱損失が大きくなるという副作用を伴う。そうすると、伝熱損失を補うべく、大きな冷凍能力を有するＧＭ冷凍機が必要となりうる。これも装置の大型化を招きうる。

これに対して、実施の形態に係る超伝導磁石冷却装置１００においては、パルス管冷凍機１０によって超伝導磁石１０２が冷却される。上述のように、パルス管冷凍機１０は、磁性蓄冷材２３を有する蓄冷器２２が冷却ステージ１８に隣接して固定的に設置されているので、蓄冷器２２すなわち磁性蓄冷材２３の動きを伴うＧＭ冷凍機など他の極低温冷凍機に比べて、高磁場による冷凍能力への影響を低減することができる。その結果、磁性蓄冷材２３ひいては冷却ステージ１８を超伝導磁石１０２の近傍、すなわち高磁場領域１０６に配置することができるので、超伝導磁石冷却装置１００をコンパクトに設計することができる。また、パルス管冷凍機１０は、短い伝熱経路で、超伝導磁石１０２を効率的に冷却することもできる。

図４は、極低温冷凍機の冷却温度の磁場依存性を示すグラフである。図４には、実施例に係るパルス管冷凍機１０と比較例に係るＧＭ冷凍機について、高磁場下での第２段の冷却温度測定値を示す。超伝導磁石を液体ヘリウム温度以下に冷却すべき用途においては、極低温冷凍機の仕様として、定格熱負荷のもとで第２段の冷却温度を４．２Ｋ以下とすることが要請される。そこで、図４には、超伝導磁石を模擬する高磁場を冷却ステージおよびその周辺領域に発生させかつ冷却ステージに定格熱負荷を与えた状態における第２段の冷却温度が、いくつかの高磁場の値についてプロットされている。また、基準温度の４．２Ｋを実線で図示する。

図４から理解されるように、比較例に係るＧＭ冷凍機は、約０．５Ｔ以下の磁場のもとでは約３．８Ｋ〜約３．９Ｋという良好な冷却を提供できる。磁場が約０．８Ｔに達すると、第２段の冷却温度が約４．２Ｋに高まる。さらに、磁場が約０．８Ｔを超えて高まると、第２段の冷却温度は約４．２Ｋを超えてしまう。すなわち、超伝導磁石が約０．８Ｔを超える高磁場を発生させる場合、比較例に係るＧＭ冷凍機は、冷却ステージをそのような高磁場領域に配置したとすると、第２段の冷却温度を液体ヘリウム温度以下に維持することができない。したがって、比較例に係るＧＭ冷凍機は、超伝導磁石を液体ヘリウム温度以下に冷却するためには磁場が約０．８Ｔ以下となる場所に配置しなければならないという、配置場所の制約を受けることになる。

対照的に、実施例に係るパルス管冷凍機１０は、約４Ｔ以下という、より広範囲の高磁場のもとで、約３．８Ｋ〜約３．９Ｋという良好な冷却を提供できる。磁場が約４．５Ｔに達すると、第２段の冷却温度が約４．２Ｋに高まる。さらに、磁場が約４．５Ｔを超えて高まると、第２段の冷却温度は約４．２Ｋを超えてしまう。なお、この温度上昇は、約４．５Ｔを超える超高磁場により磁性蓄冷材の比熱が低下するためであると推測される。

したがって、実施例に係るパルス管冷凍機１０は、冷却ステージ１８を超伝導磁石１０２の近傍に配置したとしても、その場所の磁場が約４．５Ｔ以下であれば、超伝導磁石１０２を液体ヘリウム温度またはそれより低い冷却温度に冷却することができる。

なお、図４に示される測定データは、ＧＭ冷凍機としては住友重機械工業製のＲＤＫ−４０８Ｄ３を使用し、パルス管冷凍機１０としては住友重機械工業製のＲＰ−０８２Ｂ２Ｓを使用して取得されたものである。しかしながら、パルス管冷凍機１０がＧＭ冷凍機に比べて高磁場のもとでより良好な冷凍性能を提供することは、上述のように、ＧＭ冷凍機では運転中に磁性蓄冷材が動くのに対してパルス管冷凍機では磁性蓄冷材が移動しないことに主として起因するから、これら特定の機種に限定されず、他の機種またはその他の市販品でも同じ傾向を示すと考えられる。すなわち、パルス管冷凍機１０は、ＧＭ冷凍機に比べて、０．８Ｔ〜４．５Ｔの範囲または例えば１Ｔ〜４Ｔの範囲の高磁場に関して顕著に優れた磁場耐性を有するものと一般化することができる。

以上説明したように、実施の形態に係る超伝導磁石冷却装置１００は、０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場となる高磁場領域１０６を周囲に発生させる超伝導磁石１０２と、超伝導磁石１０２を冷却するように構成されたパルス管冷凍機１０と、を備える。パルス管冷凍機１０の冷却ステージ１８は、磁性蓄冷材２３が高磁場領域１０６に配置されるように、超伝導磁石１０２の近傍に配置されている。

このようにして、超伝導磁石冷却装置１００がパルス管冷凍機１０を採用することにより、超伝導磁石１０２が発生させる０．８Ｔ〜４．５Ｔの範囲または例えば１Ｔ〜４Ｔの範囲の高磁場による例えば液体ヘリウム温度への超伝導磁石１０２の冷却への影響を低減することができる。したがって、超伝導磁石冷却装置１００は、高磁場環境に適合する超伝導磁石１０２の冷却を提供することができる。

冷却ステージ１８を超伝導磁石１０２の近傍に配置することができるので、超伝導磁石冷却装置１００をコンパクトに設計することができる。また、冷却ステージ１８から超伝導磁石１０２への伝熱経路を短くしうるので、超伝導磁石冷却装置１００は、超伝導磁石１０２を効率的に冷却することもできる。

また、実施の形態に係る超伝導磁石冷却装置１００においては、バルブユニット１６のモータ３０は、低磁場領域１０８に配置されている。低磁場領域１０８には、超伝導磁石１０２が高磁場領域１０６に０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場を発生させるとき例えば、０．１Ｔ以下、または０．０５Ｔ以下、または０．０２Ｔ以下の低磁場となるように選択されている。高磁場で動作可能なモータはかなり高価でありうる。一般に、モータ３０として使用されうる汎用の電気モータは、仕様により、こうした低磁場での正常な動作が保証されているにすぎない。したがって、モータ３０を低磁場領域１０８に配置することにより、超伝導磁石１０２が発生させる高磁場によるバルブユニット１６の動作ひいては超伝導磁石１０２の冷却への影響を低減することができる。また、比較的安価なモータ３０を採用することができ、パルス管冷凍機１０および超伝導磁石冷却装置１００の製造コストを低減することもできる。

さらに、冷却ステージ１８および蓄冷器２２はパルス管冷凍機１０のコールドヘッド１４に搭載され、モータ３０はパルス管冷凍機１０のバルブユニット１６に搭載されている。バルブユニット１６は、モータ３０が低磁場領域１０８に配置されるように、コールドヘッド１４から遠隔に配置されている。このように、パルス管冷凍機１０がバルブユニット分離型として構成されているので、コールドヘッド１４とバルブユニット１６を別の場所に設置することが容易であり、すなわち、冷却ステージ１８を高磁場領域１０６に配置しつつモータ３０を低磁場領域１０８に配置することが容易である。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、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。

ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態は、バルブユニット分離型のパルス管冷凍機１０を例として説明したが、ある実施の形態においては、パルス管冷凍機のバルブユニットは、コールドヘッドに一体的に搭載されてもよい。バルブユニットは、コールドヘッドの室温部に搭載され、バルブユニットの周囲に磁気シールドが設けられてもよい。それにより、バルブユニットのモータは、超伝導磁石が高磁場領域に０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場を発生させるとき０．１Ｔ以下の低磁場となる低磁場領域に配置されてもよい。すなわち、磁気シールドの内側に低磁場領域が形成されてもよい。

上述の実施の形態は、ＧＭ方式のパルス管冷凍機１０を例として説明したが、ある実施の形態においては、超伝導磁石冷却装置は、超伝導磁石を冷却するために、スターリング方式のパルス管冷凍機またはその他の方式のパルス管冷凍機を備えてもよい。また、上述の実施の形態は、二段式のパルス管冷凍機１０を例として説明したが、超伝導磁石１０２の超伝導状態を維持するための適切な冷却を提供する限り、パルス管冷凍機１０は、単段式であってもよいし、あるいは多段式（例えば三段式）であってもよい。

実施の形態は例示的に、以下のように捉えることもできる。

超伝導磁石冷却装置であって、
超伝導磁石のための冷却源としての冷却ステージと、前記冷却ステージに隣接して固定的に設置され、磁性蓄冷材を有する蓄冷器と、を備えるパルス管冷凍機を備え、
前記冷却ステージは、前記磁性蓄冷材が前記超伝導磁石の作動により０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場となる高磁場領域に配置されるように、前記超伝導磁石の近傍に配置されていることを特徴とする超伝導磁石冷却装置。

超伝導磁石冷却装置は、前記超伝導磁石および前記冷却ステージを収容するクライオスタットをさらに備えてもよい。

超伝導磁石冷却装置は、前記超伝導磁石および前記冷却ステージを熱的に保護すべく前記超伝導磁石および前記冷却ステージとは非接触に配置された熱シールドをさらに備えてもよい。

超伝導磁石冷却装置は、前記超伝導磁石および前記冷却ステージよりも高い冷却温度に前記熱シールドを冷却するシールドクーラーをさらに備えてもよい。

前記パルス管冷凍機は、パルス管と、前記パルス管に圧力振動を生成する圧力切替バルブと、前記圧力切替バルブを駆動するモータと、を備え、前記モータは、前記超伝導磁石が前記高磁場領域に前記高磁場を発生させるとき０．１Ｔ以下の低磁場となる低磁場領域に配置されていてもよい。

前記冷却ステージおよび前記蓄冷器は前記パルス管冷凍機のコールドヘッドに搭載され、前記モータは前記パルス管冷凍機のバルブユニットに搭載され、前記バルブユニットは、前記モータが前記低磁場領域に配置されるように、前記コールドヘッドから遠隔に配置されていてもよい。

超伝導磁石冷却装置は、前記超伝導磁石が液体冷媒との接触により冷却されるように前記超伝導磁石を液体冷媒とともに収容する液体冷媒槽をさらに備え、前記冷却ステージは、前記液体冷媒槽内で気化した液体冷媒を再凝縮してもよい。

前記冷却ステージは、前記超伝導磁石を冷却すべく前記超伝導磁石に直接に又は伝熱部材を介して取り付けられていてもよい。

１０ パルス管冷凍機、 １４ コールドヘッド、 １６ バルブユニット、 １８ 冷却ステージ、 ２０ パルス管、 ２２ 蓄冷器、 ２３ 磁性蓄冷材、 ２８ 圧力切替バルブ、 ３０ モータ、 ３４ 伝熱部材、 １００ 超伝導磁石冷却装置、 １０２ 超伝導磁石、 １０４ａ 液体冷媒槽、 １０４ｄ 液体冷媒、 １０６ 高磁場領域、 １０８ 低磁場領域。

Claims (6)

1. 超伝導磁石冷却装置であって、
   ０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場となる高磁場領域を周囲に発生させる超伝導磁石と、
   前記超伝導磁石のための冷却源としての冷却ステージと、前記冷却ステージに隣接して固定的に設置され、磁性蓄冷材を有する蓄冷器と、を備えるパルス管冷凍機と、を備え、
   前記冷却ステージは、前記磁性蓄冷材が前記高磁場領域に配置されるように、前記超伝導磁石の近傍に配置されていることを特徴とする超伝導磁石冷却装置。
2. 前記パルス管冷凍機は、パルス管と、前記パルス管に圧力振動を生成する圧力切替バルブと、前記圧力切替バルブを駆動するモータと、を備え、前記モータは、前記超伝導磁石が前記高磁場領域に前記高磁場を発生させるとき０．１Ｔ以下の低磁場となる低磁場領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石冷却装置。
3. 前記冷却ステージおよび前記蓄冷器は前記パルス管冷凍機のコールドヘッドに搭載され、前記モータは前記パルス管冷凍機のバルブユニットに搭載され、前記バルブユニットは、前記モータが前記低磁場領域に配置されるように、前記コールドヘッドから遠隔に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の超伝導磁石冷却装置。
4. 前記超伝導磁石が液体冷媒との接触により冷却されるように前記超伝導磁石を液体冷媒とともに収容する液体冷媒槽をさらに備え、前記冷却ステージは、前記液体冷媒槽内で気化した液体冷媒を再凝縮することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超伝導磁石冷却装置。
5. 前記冷却ステージは、前記超伝導磁石を冷却すべく前記超伝導磁石に直接に又は伝熱部材を介して取り付けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超伝導磁石冷却装置。
6. パルス管冷凍機を用いる超伝導磁石冷却方法であって、前記パルス管冷凍機は、超伝導磁石のための冷却源としての冷却ステージと、前記冷却ステージに隣接して固定的に設置され、磁性蓄冷材を有する蓄冷器と、を備え、前記方法は、
   前記超伝導磁石の作動により０．８Ｔ以上４．５Ｔ以下の高磁場となる高磁場領域に前記磁性蓄冷材が配置されるように、前記冷却ステージを前記超伝導磁石の近傍に配置することと、
   前記冷却ステージを冷却することによって、前記超伝導磁石を冷却することと、を備えることを特徴とする超伝導磁石冷却方法。

Images