CN115461582A - 超导磁铁装置、超低温制冷机及超导磁铁装置的冷却方法 - Google Patents

Abstract

超导磁铁装置(10)具备：超导线圈(12)；辐射屏蔽件(14)，热保护超导线圈(12)；主冷头(102)，对超导线圈(12)进行冷却；副冷头(104)，对辐射屏蔽件(14)进行冷却；共用的压缩机(106)，向主冷头(102)及副冷头(104)供给制冷剂气体；第1温度传感器(40)，测定辐射屏蔽件(14)的温度；第2温度传感器(42)，测定超导线圈(12)的温度；及控制器(110)，其构成为，为了超导磁铁装置(10)的初始冷却而启动副冷头(104)，根据第1温度传感器(40)或第2温度传感器(42)的输出使副冷头(104)停止运转，使主冷头(102)在副冷头(104)停止运转的状态下运转。

Description

超导磁铁装置、超低温制冷机及超导磁铁装置的冷却方法

技术领域

本发明涉及一种超导磁铁装置、超低温制冷机及超导磁铁装置的冷却方法。

背景技术

以往，已知有一种超导磁铁的冷却方式，其将超导磁铁与大量的液态氦一并容纳于氦槽中，并将整个超导磁铁浸渍于液态氦中。这又被称为浸渍冷却。为了再冷凝气化的液态氦，通常使用二级式吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-233047号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

近年来，出于全球性的氦生产量的减少及其导致的氦价格的暴涨，正在进行相较于所谓的浸渍冷却大幅减少液态氦的使用量的超导磁铁装置的研发。这种省氦型超导磁铁装置大致提出有两种方式。一种是在冷却超导线圈时不使用液态氦而利用超低温制冷机直接冷却超导线圈的传导冷却型超导磁铁装置。另一种是使极少量的液态氦或超低温的氦气循环到超导线圈上从而进行冷却的类型。在这种超导磁铁装置中，为了抑制有可能会妨碍超导状态的出现的内部发热及温度上升以使超导磁铁装置持续运行，例如期待GM制冷机等超低温制冷机相较于以往的使用大量液态氦的方式发挥更大的作用。

本发明的一种实施方式的例示目的之一在于，提供一种省氦的超导磁铁装置中的超低温冷却。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的一种实施方式，超导磁铁装置具备：超导线圈；辐射屏蔽件，热保护超导线圈；主冷头，对超导线圈进行冷却；副冷头，对辐射屏蔽件进行冷却；共用的压缩机，向主冷头及副冷头供给制冷剂气体；第1温度传感器，测定辐射屏蔽件的温度；第2温度传感器，测定超导线圈的温度；及控制器，其构成为，为了超导磁铁装置的初始冷却而启动副冷头，根据第1温度传感器或第2温度传感器的输出使副冷头停止运转，使主冷头在副冷头停止运转的状态下运转。

根据本发明的一种实施方式，超导磁铁装置具备：超导线圈；辐射屏蔽件，热保护超导线圈；主冷头，对超导线圈进行冷却；副冷头，对辐射屏蔽件进行冷却；共用的压缩机，向主冷头及副冷头供给制冷剂气体；第1温度传感器，测定辐射屏蔽件的温度；第2温度传感器，测定超导线圈的温度；及控制器，其构成为，在使主冷头在副冷头停止运转的状态下运转的期间，根据第1温度传感器或第2温度传感器的输出来启动副冷头。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：二级式主冷头，具有对用于超导线圈的辐射屏蔽件进行冷却的一级冷却台和对超导线圈进行冷却的二级冷却台，单级式副冷头，对辐射屏蔽件进行冷却；及共用的压缩机，向主冷头及副冷头供给制冷剂气体。

根据本发明的一种实施方式，提供一种超导磁铁装置的冷却方法。超导磁铁装置具备：超导线圈；辐射屏蔽件，热保护超导线圈；主冷头，对超导线圈进行冷却；副冷头，对辐射屏蔽件进行冷却；及共用的压缩机，向主冷头及副冷头供给制冷剂气体。冷却方法包括如下步骤：为了超导磁铁装置的初始冷却而启动副冷头；根据辐射屏蔽件或超导线圈的温度使副冷头停止运转；及使主冷头在副冷头停止运转的状态下运转。

根据本发明的一种实施方式，提供一种超导磁铁装置的冷却方法。超导磁铁装置具备：超导线圈；辐射屏蔽件，热保护超导线圈；主冷头，对超导线圈进行冷却；副冷头，对辐射屏蔽件进行冷却；及共用的压缩机，向主冷头及副冷头供给制冷剂气体。冷却方法包括如下步骤：使主冷头在副冷头停止运转的状态下运转；及根据辐射屏蔽件或超导线圈的温度来启动副冷头。

发明效果

根据本发明，能够提供一种省氦的超导磁铁装置中的超低温冷却。

附图说明

图1是概略地表示实施方式所涉及的超导磁铁装置的图。

图2是例示实施方式所涉及的超导磁铁装置的初始冷却的控制方法的流程图。

图3是表示实施方式所涉及的超导磁铁装置的初始冷却中的温度特性曲线的一例的图。

图4中(a)至(c)是表示超低温制冷机的各冷头的开启和关闭时刻的变形例的图。

图5是例示实施方式所涉及的超导磁铁装置的稳态运行中的冷却的控制方法的流程图。

图6是表示实施方式所涉及的超导磁铁装置的稳态运行中的温度特性曲线的一例的图。

图7是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机的变形例的图。

图8是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机的副冷头的变形例的图。

图9中(a)及(b)是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机的另一变形例的图。

图10是概略地表示实施方式所涉及的超导磁铁装置的变形例的图。

具体实施方式

以下，参考附图，对本发明的实施方式进行详细说明。在以下说明及附图中，对相同或等同的构成要件、部件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。在各附图中，为了便于说明，适当设定了各部的缩尺和形状，除非另有特别说明，其并不作限定性解释。实施方式为示例，其并不对本发明的范围作任何限定。实施方式中记载的所有特征或其组合并非一定是发明的本质。

图1是概略地表示实施方式所涉及的超导磁铁装置10的图。超导磁铁装置10例如作为核磁共振成像(MRI)***、基于外加磁场柴可拉斯基法的单晶硅拉制装置(例如，回旋加速器等加速器)或其他高磁场利用设备的磁场源而搭载于高磁场利用设备上，从而产生该设备所需的高磁场。超导磁铁装置10又被称为超导磁铁。

超导磁铁装置10具备：超导线圈12；辐射屏蔽件14，热保护超导线圈12；及超低温制冷机100，对超导线圈12及辐射屏蔽件14进行冷却。并且，超导磁铁装置10具备真空容器16和电流引线18。而且，超导磁铁装置10还具备：第1温度传感器40，测定辐射屏蔽件14的温度；及第2温度传感器42，测定超导线圈12的温度。

超导线圈12可以使用公知的超导线圈(例如，所谓的低温超导线圈)，其构成为若在冷却至超导转变温度以下的超低温状态下通电则产生强磁场。超导线圈12与辐射屏蔽件14及电流引线18一并容纳于真空容器16内。

辐射屏蔽件14配置成包围超导线圈12，由此屏蔽有可能会从周围环境(例如，室温大气压环境)或真空容器16的容器壁侵入到超导线圈12的辐射热。辐射屏蔽件14例如由铜等金属材料或导热系数高的其他材料形成。

电流引线18设置于超导磁铁装置10上，其将超导线圈12连接到电源装置(未图示)。电源装置配置于真空容器16的外部。电流引线18具备：金属电流引线18a，通过设置于真空容器16的馈通部与电源装置连接；及超导电流引线18b，与金属电流引线18a连接。超导电流引线18b与超导线圈12连接。金属电流引线18a由铜(例如，韧铜)或黄铜等导电性优异的金属材料形成。超导电流引线18b可以由铜氧化物超导体或其他高温超导材料形成。或者，超导电流引线18b也可以由以NbTi为代表的低温超导材料形成。电流引线18至少设置有一对(正极侧和负极侧)，励磁电流从外部电源经由电流引线18供给到超导线圈12。由此，超导磁铁装置10能够产生强磁场。

在本实施方式中，超低温制冷机100为吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机。然而，一般的GM制冷机利用一台压缩机使一台冷头运转，但该超低温制冷机100并非如此，其利用一台压缩机使两台冷头运转。更具体而言，超低温制冷机100具备：主冷头102，对超导线圈12进行冷却；副冷头104，对辐射屏蔽件14进行冷却；及共用的压缩机106，向主冷头102及副冷头104供给制冷剂气体。冷头又被称为膨胀机。并且，超低温制冷机100还具备：分支配管108，连接主冷头102、副冷头104及压缩机106；及控制器110，控制超低温制冷机100。

压缩机106构成为，从主冷头102及副冷头104回收超低温制冷机100的制冷剂气体，并对回收的制冷剂气体进行升压后重新向这两台冷头供给制冷剂气体。压缩机106与各冷头之间的制冷剂气体的循环引起各冷头内的制冷剂气体的适当的压力变动和容积变动，由此构成超低温制冷机100的制冷循环，各冷头的冷却台被冷却至所期望的超低温。制冷剂气体又被称为工作气体，其通常使用氦气，但也可以使用其他适当的气体。为了便于理解，在图1中用箭头表示了制冷剂气体的流动方向。

另外，通常，从压缩机106供给的制冷剂气体的压力和回收至压缩机106的制冷剂气体的压力均比大气压高很多，可以将其分别称为第1高压及第2高压。在此，为了便于说明，将第1高压及第2高压分别简称为高压及低压。典型地，高压例如为2～3MPa。低压例如为0.5～1.5MPa，例如约为0.8MPa。

在本实施方式中，主冷头102为对超导线圈12及辐射屏蔽件14进行冷却的二级式冷头。主冷头102具备驱动部103、一级冷却台102a及二级冷却台102b。驱动部103安装于真空容器16上并且配置于周围环境中，相对于此，一级冷却台102a及二级冷却台102b则配置于真空容器16内。

驱动部103具有驱动主冷头102的电动马达103a。在GM制冷机的情况下，若驱动电动马达103a，则内置于主冷头102的置换器和切换阀(例如，回转阀)同步运转，从而构成GM循环。置换器控制主冷头102内的制冷剂气体的膨胀室的容积，切换阀切换来自压缩机106的制冷剂气体的供给和回收从而控制主冷头102内的膨胀室的制冷剂气体压力。并且，驱动部103设置有高压端口103b及低压端口103c。主冷头102从高压端口103b接收高压的制冷剂气体并经由切换阀将其送至主冷头102内的膨胀室，并且经由切换阀从低压端口103c送出在膨胀室中膨胀的低压的制冷剂气体。

主冷头102可以构成为，在电动马达103a停止运转的情况下主冷头102内的膨胀室与压缩机106之间被切断。例如，在主冷头102的切换阀为回转阀的情况下，这种结构通过将回转阀设计成不存在主冷头102内的膨胀室与压缩机106的吐出侧及吸入侧这两侧同时连接的时刻来实现。或者，也可以通过使回转阀在所选择的旋转角度停止来实现，其中，在该所选择的旋转角度下主冷头102内的膨胀室与压缩机106的吐出侧及吸入侧之间均被切断。此时，通过使电动马达103a停止运转，回转阀在该旋转角度停止，制冷剂气体不会流入主冷头102也不会从主冷头102流出。

一级冷却台102a与辐射屏蔽件14热连接，从而冷却辐射屏蔽件14。一级冷却台102a可以直接安装于辐射屏蔽件14上，也可以经由挠性或刚性的传热部件与辐射屏蔽件14连接。并且，一级冷却台102a与金属电流引线18a热连接，从而冷却金属电流引线18a。在本实施方式中，金属电流引线18a经由辐射屏蔽件14得到冷却，但也可以经由除此之外的传热部件安装于一级冷却台102a或直接安装于一级冷却台102a而被冷却。

在本实施方式中，超导磁铁装置10为传导冷却型。超导线圈12被超低温制冷机100直接冷却。主冷头102的二级冷却台102b经由挠性或刚性的传热部件44与超导线圈12热连接，从而冷却超导线圈12。并且，二级冷却台102b与超导电流引线18b热连接，从而冷却超导电流引线18b。超导电流引线18b可以经由传热部件46安装于二级冷却台102b或直接安装于二级冷却台102b而被冷却。与超导线圈12同样地，二级冷却台102b和超导电流引线18b也配置于辐射屏蔽件14内。

在本实施方式中，副冷头104为单级式冷头。副冷头104具备驱动部105和冷却台104a。驱动部105安装于真空容器16上，并且配置于周围环境中，冷却台104a配置于真空容器16内。

驱动部105具有驱动副冷头104的电动马达105a。在GM制冷机的情况下，若驱动电动马达105a，则内置于副冷头104的置换器和切换阀(例如，回转阀)同步运转，从而构成GM循环。置换器控制副冷头104内的制冷剂气体的膨胀室的容积，切换阀切换来自压缩机106的制冷剂气体的供给和回收从而控制副冷头104内的制冷剂气体压力。并且，副冷头104的驱动部105设置有高压端口105b及低压端口105c。副冷头104从高压端口105b接收高压的制冷剂气体并经由切换阀将其送至副冷头104内的膨胀室，并且经由切换阀从低压端口105c送出在膨胀室中膨胀的低压的制冷剂气体。

副冷头104可以构成为，在电动马达105a停止运转的情况下副冷头104内的膨胀室与压缩机106之间被切断。例如，在副冷头104的切换阀为回转阀的情况下，这种结构通过将回转阀设计成不存在副冷头104内的膨胀室与压缩机106的吐出侧及吸入侧这两侧同时连接的时刻来实现。或者，也可以通过使回转阀在所选择的旋转角度停止来实现，其中，在该所选择的旋转角度下副冷头104内的膨胀室与压缩机106的吐出侧及吸入侧之间均被切断。此时，通过使电动马达105a停止运转，回转阀在该旋转角度停止，制冷剂气体不会流入副冷头104也不会从副冷头104流出。

副冷头104的冷却台104a与辐射屏蔽件14热连接，从而冷却辐射屏蔽件14。冷却台104a可以直接安装于辐射屏蔽件14，也可以经由挠性或刚性的传热部件与辐射屏蔽件14连接。并且，冷却台104a与金属电流引线18a热连接，从而冷却金属电流引线18a。在本实施方式中，金属电流引线18a经由辐射屏蔽件14得到冷却，但也可以经由除此之外的传热部件安装于冷却台104a或直接安装于冷却台104a而被冷却。另外，副冷头104并不对超导线圈12进行冷却。

主冷头102的一级冷却台102a和副冷头104的冷却台104a例如被冷却至30K～80K(通常为30K～50K，例如为40K)，主冷头102的二级冷却台102b例如被冷却至3K～20K(通常为3K～4K)。这些冷却台例如均由铜等金属材料或其他导热系数高的材料形成。

压缩机106配置于真空容器16外。压缩机106具备压缩机主体106a、压缩机框体106b、吐出端口106c及吸入端口106d。压缩机主体106a构成为，在内部压缩从其吸入口吸入的制冷剂气体，并将其从吐出口吐出。压缩机主体106a例如可以为涡漩式泵、回转式泵或对制冷剂气体进行升压的其他泵。压缩机主体106a可以构成为吐出恒定的制冷剂气体流量。或者，压缩机主体106a也可以构成为使吐出的制冷剂气体流量可变。压缩机主体106a又被称为压缩仓。压缩机主体106a容纳于压缩机框体106b内。吐出端口106c及吸入端口106d设置于压缩机框体106b上。吐出端口106c与压缩机主体106a的吐出口连接，吸入端口106d与压缩机主体106a的吸入口连接。压缩机106又被称为压缩机单元。

分支配管108具备高压侧配管108a和低压侧配管108b。高压侧配管108a将压缩机106与主冷头102及副冷头104连接，从而能够从压缩机106向主冷头102和副冷头104这两个冷头供给高压的制冷剂气体。高压侧配管108a从压缩机106的吐出端口106c延伸，并在途中分支成两条支管后分别与主冷头102的高压端口103b和副冷头104的高压端口105b连接。低压侧配管108b将主冷头102及副冷头104连接到压缩机106，从而能够从主冷头102和副冷头104这两个冷头回收低压的制冷剂气体至压缩机106。低压侧配管108b分别从主冷头102的低压端口105c和副冷头104的低压端口105c延伸，并在途中合流后与压缩机106的吸入端口106d连接。作为一例，分支配管108由挠性管构成，但也可以由刚性管构成。

控制器110构成为，根据第1温度传感器40或第2温度传感器42的输出或者根据来自上位控制器(例如，控制超导磁铁装置10或搭载有该超导磁铁装置10的上一级***的控制器)的指令信号来控制主冷头102、副冷头104及压缩机106的开启和关闭。即，控制器110控制主冷头102的电动马达103a的开启和关闭及副冷头104的电动马达105a的开启和关闭。并且，控制器110控制压缩机主体106a的开启和关闭。控制器110能够单独控制主冷头102、副冷头104及压缩机106的开启和关闭。

控制器110安装于压缩机框体106b的外表面或容纳于压缩机框体106b内。或者，控制器110也可以与压缩机106分开配置，并通过配线与压缩机106连接。并且，控制器110与商用电源等主电源(未图示)连接，并且分别通过第1供电线112a和第2供电线112b将主冷头102和副冷头104连接到该主电源。由此，通过第1供电线112a向主冷头102的电动马达103a供电，通过第2供电线112b向副冷头104的电动马达105a供电。

控制器110构成为，为了超导磁铁装置10的初始冷却而启动副冷头104，根据第1温度传感器40或第2温度传感器42的输出使副冷头104停止运转，使主冷头102在副冷头104停止运转的状态下运转，其细节留待后述。并且，控制器110构成为，使主冷头102在副冷头104停止运转的状态下运转的期间，根据第1温度传感器40或第2温度传感器42的输出来重新启动副冷头104。

在硬件结构方面，控制器110由以计算机的CPU或存储器为代表的元件或电路来实现，在软件结构方面，控制器110由计算机程序等来实现，但在图中，适当描绘成了通过它们的协作来实现的功能框。本领域技术人员应当可以理解，这些功能框可以通过硬件和软件的组合以各种形式实现。

作为一例，第1温度传感器40设置于辐射屏蔽件14上，但也可以设置于其他部位。例如，第1温度传感器40也可以设置于主冷头102的一级冷却台102a、副冷头104的冷却台104a或被这些冷却台冷却的部位(例如，金属电流引线18a)上。也可以将多个第1温度传感器40设置于互不相同的位置上。并且，作为一例，第2温度传感器42设置于超导线圈12上，但也可以设置于其他部位。例如，第2温度传感器42也可以设置于主冷头102的二级冷却台102b或被其冷却的部位(例如，超导电流引线18b)上。也可以将多个第2温度传感器42设置于互不相同的位置上。

图2是例示实施方式所涉及的超导磁铁装置10的初始冷却的控制方法的流程图。图2所示的控制程序由控制器110在启动超导磁铁装置10时执行。控制器110也可以根据来自上位控制器(例如，控制超导磁铁装置10的控制器)的指令信号来开始本控制程序。另外，超导磁铁装置10的初始冷却是指：在启动超导磁铁装置10时，将超导线圈12从环境温度(例如，室温)冷却至目标冷却温度(超导转变温度以下的超低温，例如为3～4K左右)。

控制器110为了超导磁铁装置10的初始冷却而启动副冷头104(S10)。即，控制器110将副冷头104的电动马达105a从关闭切换成开启，以使副冷头104运转。控制器110在启动副冷头104之前或启动副冷头104的同时使压缩机106运转。如此，超低温制冷机100开始副冷头104对辐射屏蔽件14的冷却。

控制器110从第1温度传感器40接收表示由第1温度传感器40测得的温度的第1传感器信号，并且比较第1温度传感器40的测定温度T1和目标冷却温度T1a(S12)。该目标冷却温度T1a可以为在超导磁铁装置10的稳态运行中辐射屏蔽件14应维持的温度，例如可以从30K～80K(通常为30K～50K)的温度范围选择，例如可以为40K。若第1温度传感器40的测定温度T1高于目标冷却温度T1a(S12的否)，则控制器110保持副冷头104的电动马达105a开启的状态从而使副冷头104继续运转。如此，持续进行副冷头104对辐射屏蔽件14的冷却。然后，控制器110重新比较第1温度传感器40的测定温度T1和目标冷却温度T1a(S12)。

若第1温度传感器40的测定温度T1为目标冷却温度T1a以下(S12的是)，则控制器110使副冷头104停止运转(S14)。即，控制器110将副冷头104的电动马达105a从开启切换成关闭，从而使副冷头104停止运转。通过在使副冷头104停止运转之前或使副冷头104停止运转的同时启动主冷头102，控制器110使主冷头102在副冷头104停止运转的状态下运转。如此，超低温制冷机100进行主冷头102对超导线圈12的冷却。然后，在超导线圈12被冷却至其目标冷却温度(例如，3K～4K左右)时完成初始冷却，超导磁铁装置10转换为稳态运行。

图3是表示实施方式所涉及的超导磁铁装置10的初始冷却中的温度特性曲线的一例的图。图3的纵轴及横轴分别表示温度及时间。图3中概略地示出了辐射屏蔽件14的温度T1及超导线圈12的温度T2的经时变化。开始初始冷却时的辐射屏蔽件14的温度T1及超导线圈12的温度T2的初始值T0例如均为300K，辐射屏蔽件14及超导线圈12的目标冷却温度例如分别为40K及3.5K。并且，在图3的下部示出了超低温制冷机100的各冷头的开启和关闭状态的一例。

图3中例示了控制器110在启动副冷头104时也启动主冷头102的情况。此时，主冷头102和副冷头104均运转直至辐射屏蔽件14的温度T1达到目标冷却温度40K。辐射屏蔽件14能够被主冷头102和副冷头104这两个冷头迅速冷却。

如上所述，若辐射屏蔽件14的温度变成了目标冷却温度以下，则停止副冷头104运转。此时，尽管取决于超导磁铁装置10的规格，但超导线圈12可能被冷却至比辐射屏蔽件14的目标冷却温度更低的温度。或者，超导线圈12也有可能不会被冷却至辐射屏蔽件14的目标冷却温度。不管在何种情况下，持续进行主冷头102对超导线圈12的冷却，并在超导线圈12的温度T2达到了目标冷却温度3.5K时，完成超导磁铁装置10的初始冷却。

完成初始冷却的同时，超导磁铁装置10转换为稳态运行。基本上，在稳态运行中，主冷头102在副冷头104停止运转的状态下运转，并将辐射屏蔽件14及超导线圈12分别维持在目标冷却温度。在稳态运行中，通过电流引线18向超导线圈12供给励磁电流。由此，超导磁铁装置10能够产生强磁场。

根据实施方式，超导磁铁装置10能够实现无液态氦的超导线圈冷却***。

在超低温制冷机100中，主冷头102和副冷头104被共用的压缩机106驱动。即，可以由一台压缩机106使多台冷头运转。由此，相较于由一台压缩机使一台冷头运转的典型结构，实施方式所涉及的超低温制冷机100能够减少压缩机106的数量，从而能够降低成本。

并且，通过在超导磁铁装置10的初始冷却中启动副冷头104，能够缩短初始冷却所花费的时间。假设超低温制冷机100不具有副冷头104，则超导磁铁装置10的初始冷却仅由主冷头102进行。此时，典型地，初始冷却例如要花费数日或一周以上的相当长的时间。相对于此，通过在初始冷却中利用副冷头104，能够显著减少辐射屏蔽件14的冷却所花费的时间，例如能够缩短至一半左右。其结果，能够将超导磁铁装置10的初始冷却所花费的时间缩短一天或数日。

而且，在完成了初始冷却时停止副冷头104，因此压缩机106此后无需向副冷头104供给制冷剂气体。能够从压缩机106向主冷头102供给更多的制冷剂气体，从而能够提高主冷头102的制冷能力。

图4中(a)至(c)是表示超低温制冷机100的各冷头的开启和关闭时刻的变形例的图。在上述实施方式中，同时启动了主冷头102和副冷头104，但也可以在各种时刻启动主冷头102。

如图4中(a)所示，控制器110也可以构成为，在使副冷头104停止运转时启动主冷头102。即，可以在辐射屏蔽件14被冷却至目标冷却温度时，将超导磁铁装置10的冷却从副冷头104切换为主冷头102。这样一来，在超导磁铁装置10的初始冷却中主冷头102起初是停止的，因此能够从压缩机106仅向副冷头104集中供给制冷剂气体。能够提高副冷头104的制冷能力，从而能够进一步迅速冷却辐射屏蔽件14。

或者，如图4中(b)所示，控制器110也可以构成为，在副冷头运转的期间启动主冷头102。即，可以在朝向目标冷却温度冷却辐射屏蔽件14的途中，使副冷头运转的同时启动主冷头102。这样一来，与图4中(a)的例子相同地，在超导磁铁装置10的初始冷却的起初能够提高副冷头104的制冷能力。并且，能够在朝向目标冷却温度冷却辐射屏蔽件14的过程中启动主冷头102来预冷主冷头102。能够从副冷头104的停止顺畅地过渡到主冷头102对超导线圈12的冷却。

如图4中(c)所示，控制器110根据情况也可以构成为，在启动副冷头104之前(即，在副冷头104停止运转的状态下)启动主冷头。这样一来，能够优先冷却超导线圈12。

在上述实施方式中，控制器110构成为，根据第1温度传感器40的输出使副冷头104停止运转，但也可以构成为，根据第2温度传感器42的输出使副冷头104停止运转。控制器110也可以从第2温度传感器42接收表示由第2温度传感器42测得的温度的第2传感器信号，并且比较第2温度传感器42的测定温度和辐射屏蔽件14的目标冷却温度。若第2温度传感器42的测定温度为目标冷却温度以下，则控制器110可以使副冷头104停止运转。控制器110可以构成为，在启动副冷头104时、在副冷头104运转的期间或在使副冷头104停止运转时启动主冷头102。

图5是例示实施方式所涉及的超导磁铁装置10的稳态运行中的冷却的控制方法的流程图。图5所示的控制程序由控制器110在超导磁铁装置10的稳态运行中执行。在开始图5所示的处理时，超导线圈12和辐射屏蔽件14已被主冷头102分别冷却至目标冷却温度。

若开始图5所示的处理，则控制器110从第1温度传感器40接收表示由第1温度传感器40测得的温度的第1传感器信号，并且比较第1温度传感器40的测定温度T1和警戒温度T1b(S20)。例如，第1温度传感器40的测定温度T1有可能会因电流引线18的发热或除此之外的因素而上升导致偏离目标冷却温度T1a。因此，警戒温度T1b被设定为用于检测这种温度上升的温度阈值。警戒温度T1b设定为比辐射屏蔽件14的目标冷却温度T1a更高的温度值，例如可以从50K～80K的范围选择。警戒温度T1b可以根据超导磁铁装置10的设计者的经验知识或由设计者进行的实验或模拟试验等来适当设定。

若第1温度传感器40的测定温度T1为警戒温度T1b以下(S20的否)，则控制器110保持主冷头102的电动马达103a开启的状态，使主冷头102继续运转。如此，继续进行主冷头102对超导线圈12和辐射屏蔽件14的冷却。然后，控制器110重新比较第1温度传感器40的测定温度和警戒温度(S20)。

若第1温度传感器40的测定温度T1超过了警戒温度T1b(S20的是)，则控制器110使主冷头102停止运转(S22)。即，控制器110将主冷头102的电动马达103a从开启切换为关闭，从而停止主冷头102运转。此时，控制器110在使主冷头102停止运转的同时启动副冷头104。即，控制器110将副冷头104的电动马达105a从关闭切换成开启，从而使副冷头104运转。

控制器110从第1温度传感器40接收表示由第1温度传感器40测得的温度的第1传感器信号，并且比较第1温度传感器40的测定温度T1和目标冷却温度T1a(S24)。若第1温度传感器40的测定温度T1高于目标冷却温度T1a(S24的否)，则控制器110保持副冷头104的电动马达105a开启的状态，从而使副冷头104继续运转。如此，继续进行副冷头104对辐射屏蔽件14的冷却。然后，控制器110重新比较第1温度传感器40的测定温度T1和目标冷却温度T1a(S24)。

若第1温度传感器40的测定温度T1为目标冷却温度T1a以下(S24的是)，则控制器110使副冷头104停止运转(S26)。即，控制器110将副冷头104的电动马达105a从开启切换成关闭，从而停止副冷头104运转。此时，控制器110在使副冷头104停止运转的同时启动主冷头102。即，控制器110将主冷头102的电动马达103a从关闭切换为开启，从而使主冷头102运转。如此，超导磁铁装置10恢复到原来的稳态运行(即，主冷头102对超导线圈12和辐射屏蔽件14的冷却)。

图6是表示实施方式所涉及的超导磁铁装置10的稳态运行中的温度特性曲线的一例的图。图6中概略地示出了辐射屏蔽件14的温度的经时变化。并且，在图6的下部示出了超低温制冷机100的各冷头的开启和关闭状态的一例。

如上所述，在稳态运行中，辐射屏蔽件14应维持在目标冷却温度T1a，但其温度有可能会因某种因素而上升。在辐射屏蔽件14的温度从目标冷却温度T1a上升而达到了警戒温度T1b时，停止主冷头102运转，并驱动副冷头104。利用副冷头104来冷却辐射屏蔽件14。在辐射屏蔽件14的温度恢复到了目标冷却温度T1a以下时，停止副冷头104运转，并重新启动主冷头102。如此，超导磁铁装置10恢复到稳态运行。

根据实施方式，在超导磁铁装置10的稳态运行中，在使主冷头102在副冷头104停止运转的状态下运转的期间，根据第1温度传感器40的输出来重新启动副冷头104。由此，能够通过副冷头104的冷却来抑制辐射屏蔽件14的温度上升，能够继续超导磁铁装置10的运行。

并且，在重新启动副冷头104时停止主冷头102运转。由于停止主冷头102运行，因此压缩机106此后无需向主冷头102供给制冷剂气体。能够从压缩机106向副冷头104供给更多的制冷剂气体，从而能够提高副冷头104的制冷能力。尤其，在超导磁铁装置10的稳态运行中，主冷头102已被冷却至超低温。制冷剂气体的密度在超低温下比在室温下小很多。这表示，伴随主冷头102的运转，相当多的制冷剂气体被储存到主冷头102内或被主冷头102吸收。其结果，在超低温制冷机100内循环的制冷剂气体的流量会减少，从压缩机106供给的制冷剂气体的流量也会减少。在这种状况下，暂时停止主冷头102运转而不向主冷头102供给制冷剂气体对确保从压缩机106向副冷头104供给的制冷剂气体的流量是有用的。如此，能够提高副冷头104的制冷能力，能够迅速冷却辐射屏蔽件14。

另外，在重新启动副冷头104时，控制器110也可以不停止主冷头102运转而在使主冷头102运转的同时启动副冷头104。例如，控制器110也可以根据第2温度传感器42的输出来继续使主冷头102运转。控制器110可以从第2温度传感器42接收表示由第2温度传感器42测得的温度的第2传感器信号，并且比较第2温度传感器42的测定温度和超导线圈12的警戒温度。超导线圈12的警戒温度比超导线圈12的目标冷却温度更高，例如可以从5K～8K的温度范围选择。在第1温度传感器40的测定温度超过了辐射屏蔽件14的警戒温度且第2温度传感器42的测定温度为超导线圈12的警戒温度以下的情况下，控制器110可以如上所述使主冷头102停止运转并且启动副冷头104。

或者，控制器110也可以在重新启动副冷头104时暂时停止主冷头102运转，并在副冷头104运转的期间重新启动主冷头102。例如，控制器110可以在副冷头104运转的期间根据第2温度传感器42的输出来重新启动主冷头102。控制器110可以从第2温度传感器42接收表示由第2温度传感器42测得的温度的第2传感器信号，并且比较第2温度传感器42的测定温度和超导线圈12的警戒温度。若第2温度传感器42的测定温度超过了超导线圈12的警戒温度，则控制器110可以在副冷头104运转的期间重新启动主冷头102。

在上述实施方式中，主冷头102的电动马达103a及副冷头104的电动马达105a均以恒定的转速运转，但本发明并不只限于此。主冷头102的驱动部103及副冷头104的驱动部105中的至少一个驱动部上可以搭载变频器，由此，电动马达103a及电动马达105a中的至少一个电动马达的转速可以是可变的。可以利用这一点向主冷头102及副冷头104中的至少一个冷头提供加速冷却功能。

因此，控制器110可以根据第1温度传感器40或第2温度传感器42的输出来控制电动马达103a及电动马达105a中的至少一个电动马达的转速。例如，控制器110可以使电动马达103a及电动马达105a中的至少一个电动马达的转速随着由第1温度传感器40或第2温度传感器42测得的温度上升而增加。此时，控制器110可以控制压缩机主体106a以增加从压缩机106吐出的制冷剂气体流量。

图7是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机100的变形例的图。在分支配管108上可以设置有截止阀。作为一例，在分支配管108的高压侧配管108a的两个支管上分别设置有第1截止阀114a和第2截止阀114b，并且在分支配管108的低压侧配管108b的两个支管上分别设置有第3截止阀114c和第4截止阀114d。

即，第1截止阀114a设置于将主冷头102的高压端口103b连接到高压侧配管108a的分支点116的高压侧配管108a的一个支管上，第2截止阀114b设置于将副冷头104的高压端口105b连接到高压侧配管108a的分支点116的高压侧配管108a的另一个支管上。并且，第3截止阀114c设置于将主冷头102的低压端口103c连接到低压侧配管108b的合流点118的低压侧配管108b的一个支管上，第4截止阀114d设置于将副冷头104的低压端口105c连接到低压侧配管108b的合流点118的低压侧配管108b的另一个支管上。

控制器110可以构成为，与主冷头102的开启和关闭及副冷头104的开启和关闭同步地开闭这些截止阀。在主冷头102运转的期间，打开第1截止阀114a和第3截止阀114c，在主冷头102停止运转的期间，关闭第1截止阀114a和第3截止阀114c。在副冷头104运转的期间，打开第2截止阀114b和第4截止阀114d，在副冷头104停止运转的期间，关闭第2截止阀114b和第4截止阀114d。这些截止阀也可以与主冷头102的开启和关闭及副冷头104的开启和关闭同步地手动开闭。

如此，通过在分支配管108的支管上设置截止阀，能够在停止某个冷头运转时可靠地切断该冷头与压缩机106之间。由此，能够防止制冷剂气体被停止中的冷头所消耗，能够向运转中的冷头供给更多的制冷剂气体。

另外，在图7所示的例子中，设置了四个截止阀，但分支配管108也可以具备少于四个的截止阀。例如，也可以为了切断压缩机106与主冷头102之间而仅设置第1截止阀114a和第3截止阀114c中的一个截止阀。并且，也可以为了切断压缩机106与副冷头104之间而仅设置第2截止阀114b和第4截止阀114d中的一个截止阀。

图8是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机100的副冷头104的变形例的图。超低温制冷机100还可以具备热开关120，该热开关120构成为使副冷头104与辐射屏蔽件14热接触或解除热接触。

作为一例，副冷头104的驱动部105例如经由真空波纹管等可移动支承结构122安装于真空容器16上。超低温制冷机100可以具备能够使副冷头104沿轴向移动的驱动机构124。驱动机构124构成为，使副冷头104以压入真空容器16内的方式移动或以从真空容器16内拉升的方式移动。驱动机构124可以具有液压、气压、电动马达、电磁铁等适当的驱动源。另外，也可以手动升降副冷头104。

通过将副冷头104压入真空容器16内，能够使副冷头104的冷却台104a与辐射屏蔽件14物理接触，从而能够使副冷头104与辐射屏蔽件14热接触。即，热开关120成为开启状态。通过将副冷头104从真空容器16拉升，副冷头104的冷却台104a从辐射屏蔽件14分开，从而解除副冷头104与辐射屏蔽件14之间的热接触。即，热开关120成为关闭状态。

控制器110可以构成为，与副冷头104的开启和关闭同步地控制热开关120的开启和关闭。控制器110可以如下控制驱动机构124：在副冷头104运转的期间开启热开关120，在副冷头104停止运转的期间关闭热开关120。

副冷头104虽然用于超导磁铁装置10的初始冷却，但在稳态运行中，除非检测到辐射屏蔽件14等超导磁铁装置10的构成要件的温度上升，副冷头104基本处于停止运转的状态。副冷头104在停止运转的期间形成从位于周围环境的驱动部105至真空容器16内的冷却台104a的传热路径。

然而，通过在副冷头104上设置热开关120，能够在副冷头104停止运转的期间使辐射屏蔽件14与副冷头104热隔离。因此，能够减少通过副冷头104从周围环境侵入到辐射屏蔽件14的热量。

另外，热开关120并不只限于如上所述的利用机械原理移动副冷头104来切换开启和关闭的方式，也可以为其他方式的热开关。热开关120例如也可以由热管等构成。或者，辐射屏蔽件14与副冷头104的冷却台104a也可以经由能够调整压力的气室而连接。在气室为高压时，冷却台104a与辐射屏蔽件14以气室的气体为介质热接触，在气室为低压或真空时，冷却台104a与辐射屏蔽件14之间的热接触得到解除。

图9中(a)及(b)是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机100的另一变形例的图。超低温制冷机100除了具备主冷头102及副冷头104以外，还可以具备追加的副冷头130。追加的副冷头130可装卸地连接于压缩机106及分支配管108。真空容器16设置有可以安装追加的副冷头130并且与辐射屏蔽件14热连接的安装套管132。

如图9中(a)所示，在要求较大的制冷能力(例如，超导磁铁装置10的初始冷却等)时，将追加的副冷头130安装于安装套管132，并且将其连接于压缩机106及分支配管108。追加的副冷头130的冷却台130a经由安装套管132与辐射屏蔽件14热连接。如此，超低温制冷机100能够利用两台副冷头来冷却辐射屏蔽件14。由此，能够进一步缩短初始冷却所花费的时间。

如图9中(b)所示，在小于初始冷却的制冷能力便足矣(例如，超导磁铁装置10的稳态运行中等)时，从安装套管132抽出追加的副冷头130，从而从真空容器16卸下副冷头130。并且，还从压缩机106及分支配管108卸下追加的副冷头130。在未安装有追加的副冷头130时，可以用盖134封闭安装套管132。

图10是概略地表示实施方式所涉及的超导磁铁装置10的变形例的图。图10所示的超导磁铁装置10为使少量的液态氦循环到超导线圈12从而进行冷却的省氦型装置。因此，超导磁铁装置10具备冷却超导线圈12的超低温制冷剂回路20，超低温制冷剂回路20与超低温制冷机100一并构成超导线圈冷却***。与上述实施方式相同地，超低温制冷机100具备主冷头102、副冷头104及压缩机106。

超低温制冷剂回路20具有配置于超导线圈12的表面和/或内部的超低温制冷剂配管21，从而利用流过超低温制冷剂配管21的超低温制冷剂与超导线圈12之间的热交换来冷却超导线圈12。超低温制冷剂为液态氦。或者，超低温制冷剂也可以为封入于超低温制冷剂回路20中的高压氦气。

并且，超低温制冷剂回路20具有超低温制冷剂的再冷凝室22。再冷凝室22被主冷头102冷却至例如3～4K左右。再冷凝室22构成为在内部储存液态制冷剂，在再冷凝室22的壁上设置有与主冷头102的二级冷却台102b热连接的再冷凝部。该再冷凝部可以在再冷凝室22的内部具有凸片状或凹凸，以增加其与液态制冷剂接触的表面积。

再冷凝室22通过供给配管23与超低温制冷剂配管21的入口21a连接。在再冷凝室22中再冷凝的超低温制冷剂通过供给配管23供给至超低温制冷剂配管21。并且，超低温制冷剂配管21的出口21b通过返回配管24与再冷凝室22连接。通过冷却超导线圈12而被气化的超低温制冷剂从超低温制冷剂配管21通过返回配管24返回到再冷凝室22，并且被再冷凝。返回配管24上可以连接有容纳气化的超低温制冷剂的缓冲容积25(例如，氦气罐)。

由此，主冷头102冷却超低温制冷剂回路20，从而冷却超导线圈12。根据本实施方式，超导磁铁装置10能够实现省氦的超导线圈冷却***。在将整个超导线圈浸渍于液态氦中进行冷却的传统类型的所谓的浸渍冷却中，例如使用1000升以上的液态氦。相对于此，在该省氦冷却方式中，在超低温制冷剂回路20内循环的液态氦例如只需少于50升即可。

以上，基于实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应当可以理解，本发明并不只限定于上述实施方式，可以进行各种设计变更且可以存在各种变形例，并且这种变形例也在本发明的范围内。在一种实施方式中说明的各种特征也可以适用于其他实施方式中。通过组合而产生的新的实施方式兼具所组合的各实施方式的效果。

主冷头102并不只限于二级式。主冷头102也可以为三级式等多级式冷头，或者，只要能够实现所需的制冷性能，则也可以为单级式冷头。主冷头102并非一定要与辐射屏蔽件14热连接，主冷头102也可以与辐射屏蔽件14分开。并且，副冷头104并不只限于单级式。副冷头104也可以为二级式等多级式冷头。

超低温制冷机100并不只限于GM制冷机。超低温制冷机100也可以为脉管制冷机、斯特林制冷机或除此之外的类型的超低温制冷机。

以上，使用具体术语对本发明的实施方式进行了说明，但是，实施方式中仅示出了本发明的原理和应用的一个侧面，在不脱离技术方案中规定的本发明的思想的范围内，实施方式可以存在多种变形例和配置的变更。

产业上的可利用性

本发明可以利用于超导磁铁装置、超低温制冷机及超导磁铁装置的冷却方法的领域。

符号说明

10-超导磁铁装置，12-超导线圈，14-辐射屏蔽件，20-超低温制冷剂回路，21-超低温制冷剂配管，40-第1温度传感器，42-第2温度传感器，100-超低温制冷机，102-主冷头，104-副冷头，106-压缩机，110-控制器。

Claims (15)

1.一种超导磁铁装置，其特征在于，具备：

超导线圈；

辐射屏蔽件，热保护所述超导线圈；

主冷头，对所述超导线圈进行冷却；

副冷头，对所述辐射屏蔽件进行冷却；

共用的压缩机，向所述主冷头及所述副冷头供给制冷剂气体；

第1温度传感器，测定所述辐射屏蔽件的温度；

第2温度传感器，测定所述超导线圈的温度；及

控制器，其构成为，为了超导磁铁装置的初始冷却而启动所述副冷头，根据所述第1温度传感器或所述第2温度传感器的输出使所述副冷头停止运转，使所述主冷头在所述副冷头停止的状态下运转。

2.根据权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于，

所述控制器构成为，在启动所述副冷头时、在所述副冷头运转的期间或在使所述副冷头停止运转时，启动所述主冷头。

3.根据权利要求1或2所述的超导磁铁装置，其特征在于，

所述控制器构成为，比较由所述第1温度传感器测得的温度和目标冷却温度，并在所述测得的温度为所述目标冷却温度以下时使所述副冷头停止运转。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，

所述控制器构成为，在使所述主冷头在所述副冷头停止运转的状态下运转的期间，根据所述第1温度传感器或所述第2温度传感器的输出来重新启动所述副冷头。

5.根据权利要求4所述的超导磁铁装置，其特征在于，

所述控制器构成为，在重新启动所述副冷头时使所述主冷头停止运转。

6.根据权利要求4或5所述的超导磁铁装置，其特征在于，

所述控制器构成为，比较由所述第1温度传感器测得的温度和警戒温度，并在所述测得的温度超过了所述警戒温度时重新启动所述副冷头。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，

还具备热开关，所述热开关构成为，使所述副冷头与所述辐射屏蔽件热接触或解除热接触。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，

还具备超低温制冷剂回路，所述超低温制冷剂回路具有配置于所述超导线圈的表面和/或内部的超低温制冷剂配管，并且利用流过所述超低温制冷剂配管的超低温制冷剂与所述超导线圈之间的热交换来冷却所述超导线圈，

所述主冷头冷却所述超低温制冷剂回路从而冷却所述超导线圈。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，

所述主冷头为冷却所述超导线圈及所述辐射屏蔽件的二级式冷头。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，

所述副冷头为单级式冷头。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，

还具备安装套管，所述安装套管能够安装追加的副冷头并且与所述辐射屏蔽件热连接。

12.一种超导磁铁装置，其特征在于，具备：

超导线圈；

辐射屏蔽件，热保护所述超导线圈；

主冷头，对所述超导线圈进行冷却；

副冷头，对所述辐射屏蔽件进行冷却；

共用的压缩机，向所述主冷头及所述副冷头供给制冷剂气体；

第1温度传感器，测定所述辐射屏蔽件的温度；

第2温度传感器，测定所述超导线圈的温度；及

控制器，其构成为，在使所述主冷头在所述副冷头停止运转的状态下运转的期间，根据所述第1温度传感器或所述第2温度传感器的输出来启动所述副冷头。

13.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

二级式主冷头，具有对用于超导线圈的辐射屏蔽件进行冷却的一级冷却台和对所述超导线圈进行冷却的二级冷却台；

单级式副冷头，对所述辐射屏蔽件进行冷却；及

共用的压缩机，向所述主冷头及所述副冷头供给制冷剂气体。

14.一种超导磁铁装置的冷却方法，所述超导磁铁装置具备：超导线圈；辐射屏蔽件，热保护所述超导线圈；主冷头，对所述超导线圈进行冷却；副冷头，对所述辐射屏蔽件进行冷却；及共用的压缩机，向所述主冷头及所述副冷头供给制冷剂气体，所述冷却方法的特征在于，包括如下步骤：

为了所述超导磁铁装置的初始冷却而启动所述副冷头；

根据所述辐射屏蔽件或所述超导线圈的温度使所述副冷头停止运转；及

使所述主冷头在所述副冷头停止运转的状态下运转。

15.一种超导磁铁装置的冷却方法，所述超导磁铁装置具备：超导线圈；辐射屏蔽件，热保护所述超导线圈；主冷头，对所述超导线圈进行冷却；副冷头，对所述辐射屏蔽件进行冷却；及共用的压缩机，向所述主冷头及所述副冷头供给制冷剂气体，所述冷却方法的特征在于，包括如下步骤：

使所述主冷头在所述副冷头停止运转的状态下运转；及

根据所述辐射屏蔽件或所述超导线圈的温度来启动所述副冷头。

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