JP6420768B2 - 熱伝達装置を用いた低損失な永久電流スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、低損失な永久電流スイッチに関する。より特定的には、低温環境における超伝導永久磁石を用いた使用のための低損失な永久電流スイッチに関する。

本特許出願は、２０１３年１２月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／７３７９３９号に係る優先権を主張するものであり、ここにおいて参照として包含されている。

超伝導磁石は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）解析、および、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）を含む、種々のコンテクスト（ｃｏｎｔｅｘｔ）において使用されている。超伝導を具現化するために、磁石は、絶対零度に近い温度で低温環境の中に維持されている。典型的に、磁石は、低温槽の中に配置され、液体ヘリウムといった低温液体によって冷却されている、一つまたはそれ以上の導電性コイルを含んでいる。

多くの超伝導磁石は、「永久モード（”ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ ｍｏｄｅ”）」において動作する。永久モードにおいては、超伝導磁石を形成する一つまたはそれ以上の超伝導な導電性コイルが、外部電源からの電流を用いて最初に励磁されて、磁場をスタートアップする。一旦、所望の磁場が獲得されると、電源は磁石から切断され、磁石は、超伝導性のおかげで電流と磁場を維持する。

永久モードで動作するために、永久電流スイッチが、リード線にわたり典型的に備えられ、磁石に対して励磁電流を供給する。磁石励磁期間（例えば、スタートアップ）の最中に、永久電流スイッチは、抵抗状態に置かれる。超伝導な導電性コイルが、電源からの電流によって励磁されるようにするためである。一旦、磁石が励磁されると、永久電流スイッチは、超伝導磁石に係る通常の永久モード動作のための超伝導状態にスイッチされる。

永久電流スイッチは、熱の適用によって、超伝導状態と抵抗状態との間でスイッチされ得る。永久電流スイッチが低温（例えば、約４°Ｋ）にある場合には、超伝導状態にあり、抵抗はほぼゼロである。しかしながら、永久電流スイッチが、抵抗モード温度、典型的には超伝導温度よりも高い温度、まで熱せられる場合、抵抗状態にある。抵抗状態において、永久電流スイッチは、典型的な電気的スイッチのように「オープン（”ｏｐｅｎ”）」ではなく、むしろ、典型的には数オームと数十オームとの間の抵抗を有している。

超伝導磁石をチャージ（ｃｈａｒｇｅ）している最中に、永久電流スイッチは抵抗モード温度まで熱せられ、かつ、磁石をチャージするために、スイッチにわたり電圧が適用される。このことは、典型的に、永久電流スイッチの中にエネルギーを放出する。典型的には、永久電流スイッチは、極めて低い温度（低温）の環境の中に配置されており、スイッチの中に放出されたエネルギーは、典型的には、熱負荷として環境の中に伝達される。この熱は、低温冷凍システムを使用して、または、沸騰凍結材（ｂｏｉｌｉｎｇ ｃｒｙｏｇｅｎ）を通じて、取り除くことができる。冷凍システムは、典型的に、極めて低い温度（低温）の環境において熱を取り除くことに非効率的である。結果として、このことは、非常に大きく、高価な、抵抗性の永久電流スイッチを使用することを要求し、もしくは、高価な凍結材がボイルオフ（ｂｏｉｌ ｏｆｆ）されて、磁石がチャージされた後で取り替えられる。これらのことは、いずれも望ましいものではない。

本発明に係る一つの態様は、装置を提供することができる。
本装置は、筐体を有し、かつ、前記筐体の中に熱シールドが配置された低温槽であり、前記熱シールドは、内部領域を定め、かつ、さらに、前記熱シールドと前記筐体との間に配置された断熱領域を定める、低温槽と、
前記断熱領域において配置された第１ステージエレメント、および、前記内部領域において配置され、前記第１ステージエレメントに係る温度よりも低い温度において動作するように構成されている第２ステージエレメント、を有するコールドヘッドコールドヘッドと、
前記コールドヘッドの前記第１ステージエレメントに対して熱的に結合された第１熱交換エレメントと、
前記コールドヘッドの前記第２ステージエレメントに対して熱的に結合された第２熱交換エレメントと、
前記筐体の中に配置され、かつ、電流が流れるときに磁場を生じるように構成されている、導電性コイルと、
前記筐体の中に配置され、かつ、導電性コイルにわたり接続された永久電流スイッチであり、超伝導温度において電気的に超伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い抵抗モード温度においては電気的に抵抗である、超伝導材料を含む、永久電流スイッチと、
前記永久電流スイッチを前記抵抗モード温度まで加熱するために、選択的に動作化および非動作化されるように構成されている、永久電流スイッチヒーターと、
前記永久電流スイッチを前記第２熱交換エレメントに対して熱的に結合している熱伝導性リンクと、を含み、
前記永久電流スイッチは、対流性熱放出ループを介して、前記第１熱交換エレメントに対して熱的に結合されており、かつ、
前記熱伝導性リンクは、前記超伝導温度において第１熱伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い第２温度において第２熱伝導性を有する材料を含み、
前記第１熱伝導性は、前記第２熱伝導性より大きい。

いくつかの実施例において、本装置は、さらに、
前記筐体の中に配置され、かつ、前記第２熱交換エレメントに接続された、超伝導対流性冷却ループと、を含み、
前記超伝導対流性冷却ループは、その中に配置され、かつ、前記導電性コイルを前記超伝導温度まで冷却するように構成されている、低温液体を有する。

いくつかの実施例において、本装置は、さらに、
磁石励磁期間の最中に、前記永久電流スイッチヒーターを動作化するように構成されているコントローラと、を含み、前記導電性コイルは前記超伝導温度に持ちこまれ、かつ、所定の強度をもつ前記磁場を生成するようにチャージされ、
前記コントローラは、さらに、前記導電性コイルが、一旦、前記所定の強度をもつ前記磁場を生成するようにチャージされると、前記磁石励磁期間の後に続くオペレーション期間の最中は、前記永久電流スイッチヒーターを非動作化するように構成されている。

いくつかの実施例においては、前記磁石励磁期間の最中に、
前記永久電流スイッチから前記第２熱交換エレメントへ前記熱伝導性リンクを介して伝達される熱よりも、多くの熱が、前記永久電流スイッチから前記第１熱交換エレメントへ前記対流性熱放出ループを介して伝達される。

いくつかの実施例において、前記超伝導温度は約４°Ｋであり、かつ、前記第１熱交換エレメントは約４０°Ｋの温度である。

本発明に係る別の態様は、導電性コイル、前記導電性コイルにわたり接続された永久電流スイッチ、永久電流スイッチヒーター、および、前記永久電流スイッチに対して対流性熱放出ループを介して熱的に結合されている第１熱交換エレメント、を含むデバイスをオペレーションする方法を提供することができ、前記永久電流スイッチは、超伝導温度において超伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い抵抗モード温度において電気的に抵抗である、超伝導材料を含む。
本方法は、磁石励磁期間の最中に、
前記導電性コイルを前記超伝導温度まで冷却するステップと、
前記永久電流スイッチの温度を前記抵抗モード温度まで上げるように、前記永久電流スイッチヒーターを加熱するステップと、
所望の強度をもつ磁場を生成するように前記導電性コイルをチャージするために、前記導電性コイルに対してエネルギーを適用するステップと、
前記導電性コイルに対して前記エネルギーを適用する一方で、前記永久電流スイッチから前記第１熱交換エレメントへ、前記対流性熱放出ループを介して、熱を放出するステップと、を含む。

いくつかの実施例において、本方法は、さらに、
前記永久電流スイッチの上に前記第１熱交換エレメントを配置するステップ、を含み、
前記磁石励磁期間の最中に、前記第１熱交換エレメントは、前記超伝導温度より高い第１温度である。

いくつかの実施例において、前記第１温度は約４０°Ｋであり、かつ、前記超伝導温度は約４°Ｋである。

いくつかの実施例において、本方法は、さらに、前記磁石励磁期間の後に続くオペレーション期間の最中に、
前記永久電流スイッチから第２熱交換エレメントへ、熱伝導性リンクを介して、熱を放出するステップと、を含み、
前記第２熱交換エレメントは、前記オペレーション期間の最中に、前記超伝導温度である。

いくつかの実施例において、
前記熱伝導性リンクは、前記超伝導温度において第１熱伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い第２温度において第２熱伝導性を有する材料を含み、
前記第１熱伝導性は、前記第２熱伝導性より大きい。

いくつかの実施例において、
前記磁石励磁期間および前記オペレーション期間の最中に、前記第１熱交換エレメントは、前記超伝導温度より実質的に高い第１温度である。

いくつかの実施例において、前記超伝導温度は約４°Ｋであり、かつ、前記第１温度は約４０°Ｋである。

本発明に係るさらに別の態様は、装置を提供することができる。本装置は、
超伝導温度において超伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い抵抗モード温度において電気的に抵抗である、超伝導材料を含む、永久電流スイッチと、
第１熱交換エレメントと、
前記永久電流スイッチを前記第１熱交換エレメントに対して熱的に結合している、対流性熱放出ループと、
前記第１熱交換エレメントから離れて置かれた、第２熱交換エレメントと、
前記永久電流スイッチを前記第２熱交換エレメントに対して熱的に結合している、熱伝導性リンクと、を含む。

いくつかの実施例において、前記対流性熱放出ループは、２フェイズのヒートパイプを含む。

いくつかの実施例において、
前記熱伝導性リンクは、前記超伝導温度において第１熱伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い第２温度において第２熱伝導性を有する材料を含み、
前記第１熱伝導性は、前記第２熱伝導性より大きい。

いくつかの実施例において、本装置は、さらに、低温槽を含み、
前記低温槽は、筐体と、
熱シールドであり、前記筐体の中に配置され、かつ、前記熱シールドと前記筐体との間の断熱領域を定める、熱シールドと、を含む。

いくつかの実施例において、第１熱交換エレメントは、前記熱シールドを含む。

いくつかの実施例において、前記断熱領域は、真空である。

いくつかの実施例において、本装置は、さらに、
筐体の中に配置され、かつ、選択的に動作化および非動作化されるように構成されている、永久電流スイッチヒーターと、を含み、
前記永久電流スイッチヒーターが動作化されると、前記永久電流スイッチを前記抵抗モード温度まで加熱する。

いくつかの実施例において、本装置は、さらに、
筐体の中に配置され、かつ、前記第２熱交換エレメントに接続された、超伝導対流性冷却ループと、を含み、
前記超伝導対流性冷却ループは、その中に配置され、かつ、前記永久電流スイッチを前記超伝導温度まで冷却するように構成されている、低温液体を有する。

本発明は、添付の図面と併せて考慮することにより、以降に示される典型的な実施例に係る詳細な説明から直ちに理解されよう。
図１は、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置の典型的な一つの実施例を示している。 図２は、熱放出装置を用いた永久電流スイッチの典型的な実施例を示している。 図３は、ＭＲＩ装置の中で使用され得る超伝導磁石システムの典型的な実施例を示しており、熱放出装置を用いた永久電流スイッチを含んでいる。 図４は、超伝導磁石と永久電流スイッチを用いた磁石システムを励磁して動作する典型的な実施例を説明するフローチャートである。

これから、添付の図面を参照して、本発明が、より完全に以降に説明され、本発明の実施例が示される。本発明は、しかしながら、異なる形式において具現化され得るものであり、ここにおいて明らかにされる実施例に限定されるものと理解されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、本発明の実施例を教示するものとして提供される。本発明開示および特許請求の範囲において、おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）所定の値を有するものと言及される場合は、その値の１０％以内の値を意味する。そして、約（ａｂｏｕｔ）所定の値を有するものと言及される場合は、その値の２５％以内の値を意味するものである。

図１は、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置１００の典型的な一つの実施例を示している。ＭＲＩ装置１００は、磁石１０２、患者１０を保持するように構成されている患者テーブル１０４、ＭＲＩ装置１００が画像を生成するために患者１０の少なくとも一部分を少なくとも部分的に取り囲むように構成されている勾配コイル１０６、少なくとも画像化される患者１０の部分に対してラジオ周波数を適用し、かつ、磁場のアライメントを変更するように構成されているラジオ周波数コイル１０８、および、ラジオ周波数信号によって生じた磁場における変化を検出するように構成されているスキャナ１１０、を含んでいる。

ＭＲＩ装置の一般的な動作はよく知られており、従って、ここにおいては繰り返されない。

図２は、ＭＲＩ装置１００といったＭＲＩ装置の中で使用され得る、熱放出装置を用いた永久電流スイッチの典型的な実施例を示している。特に、図２は、以下のものを示している。第１ステージエレメント２０２と第２ステージエレメント２０３を伴うコールドヘッド（ｃｏｌｄ ｈｅａｄ）２０１、第１ステージ熱交換器または熱伝達エレメント２０４、対流性熱放出ループ２０５、熱伝導性熱放出リンク２０６、永久電流スイッチ２０７、永久電流スイッチヒーター２０８、および、第１および第２の導電性チャージリンク２０９ａおよび２０９ｂ、である。

第１熱交換器２０４は、コールドヘッド２０１の第１ステージエレメント２０２と熱的コミュニケーション（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）する。ここで、第１ステージエレメント２０２は、一般的に、第２ステージエレメント２０３（例えば、約４°Ｋ）より高い温度（例えば、約４０°Ｋ）において動作する。

対流性熱放出ループ２０５は、永久電流スイッチ２０７を第１熱交換器２０４と接続している。いくつかの実施例において、対流性熱放出ループ２０５は、以下により詳細に説明されるように、２ステージのヒートパイプを含んでよい。

熱伝導性熱放出リンク２０６は、望ましくは、永久電流スイッチ２０７を、コールドヘッド２０１の第２ステージエレメント２０３、及び/又は、コールドヘッド２０１の第２ステージエレメント２０３に接続され得る第２熱交換器（図２に示されていない）と接続している。

永久電流スイッチ２０７は、超伝導材料を含んでいる。超伝導材料は、超伝導温度（例えば、約４°Ｋ）において電気的に超伝導性を有し、かつ、超伝導温度より高い抵抗モード温度において電気的に抵抗である。

永久電流スイッチヒーター２０８は、例えば、コントローラ（図２に示されていない）の制御下で、加熱電流を適用することによって、選択的に、動作化／ターンオン、および、非動作化／ターンオフされ得る。

以降により詳しく説明されるように、永久電流スイッチ２０７が、抵抗状態であるように永久電流スイッチヒーター２０８によって加熱され、かつ、第１と第２の導電性チャージリンク２０９ａと２０９ｂとの間にチャージ電圧（ｃｈａｒｇｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ）が適用された場合、次に、結果として生じる永久電流スイッチ２０７を通じた電流によって熱が生成される。図２に示された装置は、永久電流スイッチ２０７からの熱放出のために２つのパス（ｐａｔｈ）を備えている。第１パスは、対流性熱放出ループ２０５を介して第１熱交換エレメントまでであり、第１熱交換エレメントは、コールドヘッド２０１の第１ステージエレメント２０２及び/又は第１ステージ熱交換器２０４を含み得る。そして、第２パスは、熱伝導性熱放出リンク２０６を介して第２熱交換エレメントまでであり、第２熱交換エレメントは、コールドヘッド２０１の第２ステージエレメント２０３及び/又は第２ステージ熱交換器（図２に示されていない）を含み得る。第２ステージ熱交換器は、第２ステージエレメント２０３に対して熱的に結合または接続され得る。熱放出のための２つパスだけが示されているが、本発明の他の実施例は、あらゆる数量のステージ／エレメントおよび熱放出パスを有し得るものである。

図３を参照して、図２に示される永久電流スイッチ２０７および熱放出装置のオペレーションが、より上手く説明される。図３は、超伝導磁石システム３００の典型的な実施例を示している。超伝導磁石システムは、ＭＲＩ装置１００といったＭＲＩ装置において使用され得るもので、図２に係る永久電流スイッチ２０７および熱放出装置を含み得る。

超伝導磁石システム３００は、図２に示される装置を含み得る。以下の装置を含むものである。第１ステージエレメント２０２と第２ステージエレメント２０３を伴うコールドヘッド２０１、第１熱交換器または熱伝達エレメント２０４、対流性熱放出ループ２０５、熱伝導性熱放出リンク２０６、永久電流スイッチ２０７、永久電流スイッチヒーター２０８、および、第１と第２の導電性チャージリンク２０９ａと２０９ｂ、である。

超伝導磁石システム３００は、また、第２熱交換器または熱伝達エレメント３０５、コンプレッサ３０６、超伝導対流性冷却ループ３０８、一つまたはそれ以上の導電性コイル３１３（励磁された場合には超伝導磁石を含む）、および、磁石コントローラ３８０、を含んでいる。超伝導対流性冷却ループ３０８は、第２熱交換器３０５を介してコールドヘッド２０３の第２ステージエレメント２０３に熱的に結合されている。図３に示されるように、永久電流スイッチ２０７は、導電性コイル３１３のターミナルにわたり接続されている。

超伝導磁石システム３００は、さらに、筐体を有する低温槽３０１、または、外部真空容器３１６、および、筐体３１６の中に配置された熱シールド３１５を含んでいる。熱シールドは、熱シールド３１５と筐体３１６との間に配置された断熱領域３１４ｂから、少なくとも部分的に、内部領域３１４ａを熱的に隔離している。ここで、一般的に、熱シールド３１５は、内部領域３１４ａを完全には取り囲まなくてよいことが理解されるべきである。例えば、図３に示されるように、熱シールド３１５は、開口部または隙間を含んでよい。熱放出ループ２０５、コールドヘッド２０１の一部、電線またはプローブ、等といった種々の構成が、内部領域３１４ａと断熱領域３１４ｂとの間を通ることができるようにである。いくつかの実施例において、熱シールド３１５は、閉じた構造ではないが、それにもかかわらず一般的にその中の領域を定める開放端の領域を含んでよい。他の形状および構成も可能である。

一般的に、超伝導磁石システム３００は、図３に示されるもの以外の数多くの他のエレメントを有し得る。例えば、システムのスタートアップの最中に導電性コイル３１３に電力を供給するための電源、超伝導磁石システム３００のオペレーションをモニタリングするために磁石コントローラ３８０に接続された一つまたはそれ以上のセンサ、等を含んでいる。

一つの実施例において、第２ステージエレメント２０３、対流性熱放出ループ２０５、熱伝導性熱放出リンク２０６、永久電流スイッチ２０７、永久電流スイッチヒーター２０８、第１および第２の導電性チャージリンク２０９ａおよび２０９ｂ、第２熱交換器３０５、超伝導対流性冷却ループ３０８、および、導電性コイル３１３は、内部領域３１４ａの中に配置される。第１熱交換器２０４とコールドヘッド２０１の第１ステージエレメント２０２は、断熱領域３１４ｂの中に配置される。コンプレッサ３０６とコントローラ３８０は、低温槽３０１の外部に配置される。

有利なことに、内部領域３１４ａと筐体３１６の内側の断熱領域３１４は、あらゆる気体、液体、等が除去された真空スペースを含んでいる。定められた構成（例えば、コールドヘッド２０１の第２ステージエレメント２０３、対流性熱放出ループ２０５、熱伝導性熱放出リンク２０６、永久電流スイッチ２０７、永久電流スイッチヒーター２０８、第１および第２の導電性チャージリンク２０９ａおよび２０９ｂ、第２熱交換器３０５、超伝導対流性冷却ループ３０８、導電性コイル３１３、および、コールドヘッド２０１の第１ステージエレメント２０２、等）によって占められる領域を除いた第１真空を有している。

いくつかの実施例において、熱シールド３１５は、コールドヘッド２０１の第１ステージエレメント２０２に対して熱的に結合または接続されている。いくつかの実施例において、第１熱交換器２０４は、熱シールド３１５に取付けられ、または、その一部である。

熱伝導性熱放出リンク２０６は、永久電流スイッチ２０７と内部領域３１４ａの中に配置された第２熱交換エレメントとの間に接続されている。第２熱交換エレメントは、例えば、コールドヘッド２０１の第２ステージエレメント２０３または第２ステージエレメント２０３に対して熱的に結合または接続された第２熱交換器３０５である。有利なことに、いくつかの実施例において、熱伝導性熱放出リンク２０６は、以下の材料を含んでいる。超伝導温度（例えば、約４°Ｋ）において第１熱伝導性を有し、かつ、第２温度（例えば、約４０°Ｋ）において第２熱伝導性を有しており、第２温度は超伝導温度より高く、第１熱伝導性は第２熱伝導性より大きい、材料である。

いくつかの実施例において、磁石コントローラ３８０は、メモリ（例えば、揮発性及び/又は不揮発性メモリ）およびプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ）を含んでよい。プロセッサは、メモリの中に保管されたコンピュータプログラムを実行し、磁石システム３００に、ここにおいて説明されるような一つまたはそれ以上のアクション及び/又はプロセスを実施させるように構成されてよい。

図３に関して、これから、永久電流スイッチ２０７および関連する熱放出装置の典型的なオペレーションの説明が示される。

オペレーションにおいて、第１熱交換エレメントは、第１熱交換器２０４及び/又はコールドヘッド２０１の第１ステージエレメント２０２を含み得るが、永久電流スイッチ２０７の上にあるように配置されてよい。この点について、第１熱交換エレメントは、直接的に永久電流スイッチの上に配置されても、配置されなくてもよい。しかし、有利なことに、第１熱交換エレメントは、永久電流スイッチ２０７よりも、地球に関して、より高い高度または位置に配置される。

オペレーションにおいて、超伝導対流性冷却ループ３０８は、その中に低温液体（例えば、液体または気体ヘリウム）が配置されている。コールドヘッド２０１は、コンプレッサによって駆動され、超伝導対流性冷却ループ３０８の中の低温液体を冷却する。次に、超伝導対流性冷却ループ３０８は、導電性コイル３１３を超伝導温度（例えば、約４°Ｋ）まで冷却して、導電性コイル３１３は超伝導性となる。この時に、第１熱交換器２０４は断熱領域３１４ｂにおいて配置されており、熱シールド３１５に対して熱的に結合されてよい。従って、第１熱交換器２０４は、第１温度（例えば、約４０°Ｋ）にあり、第１温度は、内部領域３１４ａにおける超伝導対流性冷却ループ３０８の導電性コイル３１３に係る超伝導温度（例えば、約４°Ｋ）より高い。

スタートアップまたは磁石励磁の最中に、導電性コイル３１３は、所望の磁場強度を伴う磁場を生成するようにチャージされる。これを達成するために、永久電流スイッチヒーター２０８が、動作化またはターンオンされる（例えば、磁石コントローラ３８０の制御下において）。抵抗モード温度まで永久電流スイッチ２０７を加熱するようにであり、その温度は超伝導温度より高いものである。永久電流スイッチ２０７は、抵抗モード温度まで加熱されると、数オームから数十オームの範囲のインピーダンスをもつ抵抗状態にある。抵抗状態にある永久電流スイッチ２０７を用いて、電源（低温槽３０１の外部にあり、図３には示されていない）からの電力を適用することによって導電性コイル３１３が励磁される。これは、第１および第２の導電性チャージリンク２０９ａおよび２０９ｂを介して実行され、それにより、導電性コイル３１３に磁場を生じさせている。導電性コイル３１３によって生成される磁場は、電源からの電力供給を継続することによって、所望またはターゲットの磁場強度までランプアップされ得る。

永久電流スイッチ２０７が抵抗状態にある間に、第１および第２の導電性チャージリンク２０９ａおよび２０９ｂにわたる電圧は、永久電流スイッチ２０７を通る電流を生じさせる。それは、次に、永久電流スイッチ２０７におけるエネルギー消散を生じさせる。このエネルギー消散は、熱の形態をとり、永久電流スイッチ２０７の温度を上げる。いくつかの実施例においては、電源から永久電流スイッチ２０７を通して電流が流れた後、抵抗損失によって生成された熱は、永久電流スイッチを抵抗モード温度又はそれ以上に維持するために十分であり得る。抵抗状態で動作し続けるためである。いくつかの実施例において、永久電流スイッチヒーター２０８は、この時点で非動作化またはターンオフされてよく、一方で、電源からの電力は供給され続ける。

磁石励磁期間の最中に、対流性熱放出ループ２０５は、永久電流スイッチ２０７から第１熱交換器２０４へ熱を伝達する。一つの典型的な実施例において、第１熱交換器２０４は、断熱領域３１４ｂにおいて熱シールド３１５の外部に配置される。さらに、第１熱交換器２０４は、第１温度（例えば、約４０°Ｋ）にあってよい。超伝導温度（例えば、約４°Ｋ）より高い温度である。いくつかの実施例において、永久電流スイッチ２０７の温度は、第１熱交換エレメント２０４の第１温度より高い。従って、永久電流スイッチ２０７の上に配置された第１熱交換器２０４を用いて、熱は、永久電流スイッチ２０７から第１熱交換器２０４へ対流性熱放出ループ２０５を介して対流して流れ得る。このようにして、磁石励磁期間の最中に永久電流スイッチ２０７によって生成された熱負荷は、内部領域３１４ａに配置された、より低温で、より効率的でない、コールドヘッド２０１の第２ステージエレメント２０３へ伝達されるより、むしろ、熱シールド３１５の外部に配置された、コールドヘッド２０１の第１ステージエレメント２０２へ伝達され得る。

いくつかの実施例において、対流性熱放出ループ２０５は、２フェイズのヒートパイプを含み得る。その場合、例えば、液体は、第１熱交換器２０４から永久電流スイッチ２０７まで、重力によって流れる。そこで、永久電流スイッチ２０７からの熱は、液体を気体に変化させる。気体は、対流によって第１熱交換器２０４まで上昇して流れ、そこで、熱が除去されて、気体が液体化される。

上述のように、この時点で、磁石励磁期間の最中に、永久電流スイッチ２０７は、上昇した温度（例えば、４０°Ｋ以上）にある。そこにおいて消散される電力のせいで、超伝導温度（例えば、約４°Ｋ）より高い温度である。従って、いくつかの実施例において、熱伝導性熱放出リンク２０６は、永久電流スイッチ２０７に接続される。熱伝導性熱放出リンク２０６は、上昇した温度にあり、超伝導温度での熱伝導性よりも大きい熱伝導性を有している。従って、そうした実施例においては、内部領域３１４ａにおいて熱伝導性熱放出リンク２０６を介して、永久電流スイッチ２０７から第２熱交換エレメント（例えば、コールドヘッド２０１の第２ステージエレメント２０３または第２熱交換器３０５）へ伝達される熱は、僅かであり又は無い。有利なことに、このことは、コールドヘッド２０１の第２ステージエレメント２０３に対して熱的に結合されている超伝導対流性冷却ループ３０８において低温液体が沸騰することを低減し、または、妨げる。

導電性コイル３１３が、所望の磁場強度の磁場を生成するように励磁された後で、永久電流スイッチヒーター２０８は、非動作化またはターンオフされ（例えば、磁石コントローラ３０８の制御下において）、電源が導電性コイル３１３から切断される。磁石システム３００が通常オペレーションへ移行するからである。従って、永久電流スイッチの温度は減少する。

一旦、永久電流スイッチ２０７が、第１熱交換器２０４の第１温度（例えば、約４０°Ｋ）より低い温度に達すると、次に、対流性熱放出ループ２０５は停滞し、より高温の第１熱交換器２０４から、その下に置かれている、より低温の永久電流スイッチ２０７へ、僅かな熱が伝達されるか、または、熱は伝達されない。永久電流スイッチ２０７の温度が低下しているので、いくつかの実施例において、熱伝導性熱放出リンク２０６の熱伝導性が増加する。永久電流スイッチ２０７から、内部領域３１４ａにおける第２熱交換エレメント（例えば、コールドヘッド２０１の第２ステージエレメント２０３または第２熱交換器３０５）へ、増加している量の熱が伝達されるようにである。最終的に、永久電流スイッチ２０７は、超伝導温度（例えば、約４°Ｋ）まで冷却され、超伝導状態へスイッチする。この時点において、磁石システム３００は、上述のように、永久モードにおいて、通常に動作する。

図４は、磁石システム３００といった、超伝導磁石と永久電流スイッチを用いた磁石システムを励磁して動作する典型的な方法４００を説明するフローチャートである。

ステップ４１０において、磁石（例えば、一つの実施例において、導電性コイル）が、例えば、コンプレッサとコールドヘッドによって、超伝導温度（例えば、約４°Ｋ）まで冷却される。

ステップ４２０において、磁石励磁期間が始まり、永久電流スイッチを抵抗モード温度まで加熱するように、永久電流スイッチヒーターがターンオンまたは動作化される。永久電流スイッチが抵抗状態にあるようにである。

ステップ４３０において、磁石の磁場をチャージするために、外部電源からエネルギーが適用される。

ステップ４４０において、熱は、永久電流スイッチから第１熱交換エレメントへ、対流性熱放出ループを介して、対流して放出される。第１熱交換エレメントは、典型的に、磁石システムの超伝導温度より高い第１温度（例えば、約４０°Ｋ）にあり、かつ、永久電流スイッチの上に配置されている。有利なことに、上述のように、第１熱交換エレメントは、低温槽の断熱領域の中で、かつ、磁石システムの低温槽において備えられる熱シールドの外部に、配置される。

ステップ４５０において、所望の強度または強さの磁場を生成するように磁石が励磁されたか否かが（例えば、磁石コントローラによって）判断される。いくつかの実施例において、このことは、磁石（例えば、導電性コイル３１３）を通じた電流の測定によって、または、磁場プローブによって行われる。

磁石が、所望の磁場強度まで未だ励磁されていないと、ステップ４５０において判断された場合、ステップ４２０から４４０が継続される。

しかしながら、磁石が所望の磁場強度まで励磁されたと、ステップ４５０において判断された場合、次にプロセスは、ステップ４６０に進む。

ステップ４６０において、永久電流スイッチヒーターが、ターンオフまたは非動作化され得る。いくつかの実施例において、永久電流スイッチを通じて流れる電流が、永久電流スイッチを抵抗状態に維持するために十分な熱放出を生じている場合には、永久電流スイッチヒーターが、より早いステップにおいてターンオフまたは非動作化されていてよい。その場合には、所望の磁場強度をもつ磁場を供給するように磁石が励磁されたものとステップ４５０において判断された後で、永久電流スイッチの非動作化またはターンオフが維持される。

ステップ４７０において、電源が磁石（例えば、一つまたはそれ以上の導電性コイル）から切断され、磁石システムの通常オペレーション期間を開始する。

ステップ４８０において、永久電流スイッチは、第１熱交換エレメントの第１温度より低い温度まで冷える。この時点で、対流性熱放出ループは動作を停止し、より高温の第１熱交換エレメントから、その下に置かれている、より冷めた永久電流スイッチへ、対流性熱放出ループを介して、僅かな熱が伝達されるか、または、熱は伝達されない。このとき、熱は、永久電流スイッチから第２熱交換エレメントへ放出される。例えば、超伝導温度であってよい。有利なことに、いくつかの実施例において、第２熱交換エレメントは、磁石システムの低温槽の内部領域で、低温槽において備えられる熱シールドの中に配置されてよい。

ステップ４９０において、永久電流スイッチは、超伝導温度まで冷え、超伝導状態へスイッチする。この時点で、磁石システムは、上述のように、永久モードにおいて、通常に動作する。

ここにおいて所望の実施例が開示される一方で、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく多くの変形が可能である。そうした変形は、ここにおける明細書、図面、および、特許請求の範囲を検討した後で、当業者にとって明らかになるだろう。本発明は、従って、添付の特許請求の範囲を除いて限定されるべきものではない。

Claims (18)

1. 筐体を有し、かつ、前記筐体の中に熱シールドが配置された低温槽であり、
   前記熱シールドは、内部領域を定め、かつ、さらに、前記熱シールドと前記筐体との間に配置された断熱領域を定める、低温槽と、
   前記断熱領域において配置された第１ステージエレメント、および、前記内部領域において配置され、前記第１ステージエレメントに係る温度よりも低い温度において動作するように構成されている第２ステージエレメント、を有するコールドヘッドと、
   前記コールドヘッドの前記第１ステージエレメントに対して熱的に結合された第１熱交換エレメントと、
   前記コールドヘッドの前記第２ステージエレメントに対して熱的に結合された第２熱交換エレメントと、
   前記筐体の中に配置され、かつ、電流が流れるときに磁場を生じるように構成されている、導電性コイルと、
   前記筐体の中に配置され、かつ、導電性コイルにわたり接続された永久電流スイッチであり、超伝導温度において電気的に超伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い抵抗モード温度においては電気的に抵抗である、超伝導材料を含む、永久電流スイッチと、
   前記永久電流スイッチを前記抵抗モード温度まで加熱するために、選択的に動作化および非動作化されるように構成されている、永久電流スイッチヒーターと、
   対流性熱放出ループと、
   前記永久電流スイッチを前記第２熱交換エレメントに対して熱的に結合している熱伝導性リンクと、
   を含み、
   前記永久電流スイッチは、前記対流性熱放出ループを介して、前記第１熱交換エレメントに対して熱的に結合されており、かつ、
   前記熱伝導性リンクは、前記超伝導温度において第１熱伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い第２温度において第２熱伝導性を有する材料を含み、
   前記第１熱伝導性は、前記第２熱伝導性より大きい、
   装置。
2. 前記装置は、さらに、
   前記筐体の中に配置され、かつ、前記第２熱交換エレメントに接続された、超伝導対流性冷却ループと、を含み、
   前記超伝導対流性冷却ループは、その中に配置され、かつ、前記導電性コイルを前記超伝導温度まで冷却するように構成されている、低温液体を有する、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記装置は、さらに、
   磁石励磁期間の最中に、前記永久電流スイッチヒーターを動作化するように構成されているコントローラと、を含み、
   前記導電性コイルは前記超伝導温度に持ちこまれ、かつ、所定の強度をもつ前記磁場を生成するようにチャージされ、
   前記コントローラは、さらに、
   前記導電性コイルが、一旦、前記所定の強度をもつ前記磁場を生成するようにチャージされると、前記磁石励磁期間の後に続くオペレーション期間の最中は、前記永久電流スイッチヒーターを非動作化するように構成されている、
   請求項２に記載の装置。
4. 前記磁石励磁期間の最中に、
   前記永久電流スイッチから前記第２熱交換エレメントへ前記熱伝導性リンクを介して伝達される熱よりも、多くの熱が、前記永久電流スイッチから前記第１熱交換エレメントへ前記対流性熱放出ループを介して伝達される、
   請求項３に記載の装置。
5. 前記超伝導温度は約４°Ｋであり、かつ、前記第１熱交換エレメントは約４０°Ｋの温度である、
   請求項１に記載の装置。
6. 導電性コイル、前記導電性コイルにわたり接続された永久電流スイッチ、永久電流スイッチヒーター、２ステージのコールドヘッドに係る第１ステージエレメントに熱的に結合され、かつ、前記永久電流スイッチに対しても対流性熱放出ループを介して熱的に結合されている第１熱交換エレメント、および、該２ステージのコールドヘッドに係る第２ステージエレメントに熱的に結合され、かつ、前記永久電流スイッチに対しても熱伝導性リンクを介して熱的に結合されている第２熱交換エレメント、を含むデバイスをオペレーションする方法であって、
   前記永久電流スイッチは、超伝導温度において超伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い抵抗モード温度において電気的に抵抗である、超伝導材料を含み、
   前記方法は、磁石励磁期間の最中に、
   前記導電性コイルを前記超伝導温度まで冷却するステップと、
   前記永久電流スイッチの温度を前記抵抗モード温度まで上げるように、前記永久電流スイッチヒーターを加熱するステップと、
   所望の強度をもつ磁場を生成するように前記導電性コイルをチャージするために、前記導電性コイルにエネルギーを与えるステップと、
   前記導電性コイルに対して前記エネルギーを適用する一方で、前記永久電流スイッチから前記第１熱交換エレメントへ、前記対流性熱放出ループを介して、熱を放出するステップと、
   を含み、
   前記方法は、さらに、前記磁石励磁期間の後に続くオペレーション期間の最中に、
   前記永久電流スイッチから第２熱交換エレメントへ、熱伝導性リンクを介して、熱を放出するステップと、
   を含み、
   前記熱伝導性リンクは、前記超伝導温度において第１熱伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い第２温度において第２熱伝導性を有する材料を含み、
   前記第１熱伝導性は、前記第２熱伝導性より大きい、
   方法。
7. 前記方法は、さらに、
   前記永久電流スイッチの上に前記第１熱交換エレメントを配置するステップ、を含み、
   前記磁石励磁期間の最中に、前記第１熱交換エレメントは、前記超伝導温度より高い第１温度である、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記第１温度は約４０°Ｋであり、かつ、前記超伝導温度は約４°Ｋである、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記第２熱交換エレメントは、前記オペレーション期間の最中に、前記超伝導温度である、
   請求項６に記載の方法。
10. 前記磁石励磁期間および前記オペレーション期間の最中に、前記第１熱交換エレメントは、前記超伝導温度より実質的に高い第１温度である、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記超伝導温度は約４°Ｋであり、かつ、前記第１温度は約４０°Ｋである、
    請求項１０に記載の方法。
12. 超伝導温度において超伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い抵抗モード温度において電気的に抵抗である、超伝導材料を含む、永久電流スイッチと、
    コールドヘッドに係る第１ステージエレメントに熱的に結合された第１熱交換エレメントと、
    前記永久電流スイッチを前記第１熱交換エレメントに対して熱的に結合している、対流性熱放出ループと、
    前記第１熱交換エレメントから離れて置かれ、かつ、前記コールドヘッドに係る第２ステージエレメントに熱的に結合された、第２熱交換エレメントと、
    前記永久電流スイッチを前記第２熱交換エレメントに対して熱的に結合している、熱伝導性リンクと、
    を含み、
    前記熱伝導性リンクは、前記超伝導温度において第１熱伝導性を有し、かつ、前記超伝導温度より高い第２温度において第２熱伝導性を有する材料を含み、
    前記第１熱伝導性は、前記第２熱伝導性より大きい、
    装置。
13. 前記対流性熱放出ループは、二相ヒートパイプを含む、
    請求項１２に記載の装置。
14. 前記装置は、さらに、低温槽を含み、
    前記低温槽は、
    筐体と、
    熱シールドであり、前記筐体の中に配置され、かつ、前記熱シールドと前記筐体との間の断熱領域を定める、熱シールドと、
    を含む、請求項１２に記載の装置。
15. 第１熱交換エレメントは、前記熱シールドを含む、
    請求項１４に記載の装置。
16. 前記断熱領域は、真空である、
    請求項１４に記載の装置。
17. 前記装置は、さらに、
    筐体の中に配置され、かつ、選択的に動作化および非動作化されるように構成されている、永久電流スイッチヒーターと、を含み、
    前記永久電流スイッチヒーターが動作化されると、前記永久電流スイッチを前記抵抗モード温度まで加熱する、
    請求項１２に記載の装置。
18. 前記装置は、さらに、
    導電性コイルと、
    筐体の中に配置され、かつ、前記第２熱交換エレメントに接続された、超伝導対流性冷却ループと、を含み、
    前記超伝導対流性冷却ループは、その中に配置され、かつ、前記導電性コイルを前記超伝導温度まで冷却するように構成されている、低温液体を有する、
    請求項１２に記載の装置。

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