JP7319462B2 - 超電導磁石装置、および超電導磁石装置の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導磁石装置、極低温冷凍機、および超電導磁石装置の冷却方法に関する。

従来、超電導マグネットをヘリウム槽に大量の液体ヘリウムとともに収納し、超電導マグネットの全体を液体ヘリウムに浸す超電導マグネットの冷却方式が知られている。これは浸漬冷却とも呼ばれる。気化した液体ヘリウムを再凝縮するために、多くの場合、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が使用される。

特開２００４－２３３０４７号公報

近年の世界的なヘリウム生産量の減少とそれによるヘリウム価格の高騰を背景として、いわゆる浸漬冷却に比べて大幅に液体ヘリウムの使用量を低減した超電導磁石装置の研究開発が進められている。このような省ヘリウムタイプの超電導磁石装置には、大まかに２つの方式が提案されている。１つは、超電導コイルの冷却に液体ヘリウムを使用せずに、超電導コイルを極低温冷凍機によって直接冷却する伝導冷却タイプの超電導磁石装置である。もう１つは、超電導コイルにごく少量の液体ヘリウムまたは極低温のヘリウムガスを循環させることによって冷却するタイプである。こうした超電導磁石装置では、超電導状態の発現を妨げうる内部発熱および温度上昇を抑え超電導磁石装置の運転を継続するうえで、例えばＧＭ冷凍機などの極低温冷凍機には、従来の液体ヘリウムを大量に使用する方式に比べて、より大きな役割を果たすことが期待される。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、省ヘリウムの超電導磁石装置における極低温冷却の提供にある。

本発明のある態様によると、超電導磁石装置は、超電導コイルと、超電導コイルを熱的に保護する輻射シールドと、超電導コイルを冷却するメインコールドヘッドと、輻射シールドを冷却するサブコールドヘッドと、メインコールドヘッドおよびサブコールドヘッドに冷媒ガスを供給する共通の圧縮機と、輻射シールドの温度を測定する第１温度センサと、超電導コイルの温度を測定する第２温度センサと、超電導磁石装置の初期冷却のためにサブコールドヘッドを起動し、第１温度センサまたは第２温度センサの出力に基づいてサブコールドヘッドを停止させ、サブコールドヘッドを停止した状態でメインコールドヘッドを動作させるよう構成されるコントローラと、を備える。

本発明のある態様によると、超電導磁石装置は、超電導コイルと、超電導コイルを熱的に保護する輻射シールドと、超電導コイルを冷却するメインコールドヘッドと、輻射シールドを冷却するサブコールドヘッドと、メインコールドヘッドおよびサブコールドヘッドに冷媒ガスを供給する共通の圧縮機と、輻射シールドの温度を測定する第１温度センサと、超電導コイルの温度を測定する第２温度センサと、サブコールドヘッドを停止した状態でメインコールドヘッドを動作させている間に、第１温度センサまたは第２温度センサの出力に基づいてサブコールドヘッドを起動するよう構成されるコントローラと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、超電導コイルのための輻射シールドを冷却する一段冷却ステージと、超電導コイルを冷却する二段冷却ステージと、を有する二段式のメインコールドヘッドと、輻射シールドを冷却する単段式のサブコールドヘッドと、メインコールドヘッドおよびサブコールドヘッドに冷媒ガスを供給する共通の圧縮機と、を備える。

本発明のある態様によると、超電導磁石装置の冷却方法が提供される。超電導磁石装置は、超電導コイルと、超電導コイルを熱的に保護する輻射シールドと、超電導コイルを冷却するメインコールドヘッドと、輻射シールドを冷却するサブコールドヘッドと、メインコールドヘッドおよびサブコールドヘッドに冷媒ガスを供給する共通の圧縮機と、を備える。冷却方法は、超電導磁石装置の初期冷却のためにサブコールドヘッドを起動することと、輻射シールドまたは超電導コイルの温度に基づいてサブコールドヘッドを停止させることと、サブコールドヘッドを停止した状態でメインコールドヘッドを動作させることと、を備える。

本発明のある態様によると、超電導磁石装置の冷却方法が提供される。超電導磁石装置は、超電導コイルと、超電導コイルを熱的に保護する輻射シールドと、超電導コイルを冷却するメインコールドヘッドと、輻射シールドを冷却するサブコールドヘッドと、メインコールドヘッドおよびサブコールドヘッドに冷媒ガスを供給する共通の圧縮機と、を備える。冷却方法は、サブコールドヘッドを停止した状態でメインコールドヘッドを動作させることと、輻射シールドまたは超電導コイルの温度に基づいてサブコールドヘッドを起動することと、を備える。

本発明によれば、省ヘリウムの超電導磁石装置における極低温冷却を提供することができる。

実施の形態に係る超電導磁石装置を概略的に示す図である。 実施の形態に係る超電導磁石装置の初期冷却の制御方法を例示するフローチャートである。 実施の形態に係る超電導磁石装置の初期冷却における温度プロファイルの一例を示す図である。 図４（ａ）から図４（ｃ）は、極低温冷凍機の各コールドヘッドのオンオフのタイミングの変形例を示す図である。 実施の形態に係る超電導磁石装置の定常運転における冷却の制御方法を例示するフローチャートである。 実施の形態に係る超電導磁石装置の定常運転における温度プロファイルの一例を示す図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機の変形例を概略的に示す図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機のサブコールドヘッドの変形例を概略的に示す図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機の別の変形例を概略的に示す図である。 実施の形態に係る超電導磁石装置の変形例を概略的に示す図である。

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、実施の形態に係る超電導磁石装置１０を概略的に示す図である。超電導磁石装置１０は、たとえば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム、磁場印加チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引き上げ装置、たとえばサイクロトロンなどの加速器、またはその他の高磁場利用機器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。超電導磁石装置１０は、超電導マグネットとも称される。

超電導磁石装置１０は、超電導コイル１２と、超電導コイル１２を熱的に保護する輻射シールド１４と、超電導コイル１２および輻射シールド１４を冷却する極低温冷凍機１００と、を備える。また、超電導磁石装置１０は、真空容器１６と、電流リード１８とを備える。さらに、超電導磁石装置１０は、輻射シールド１４の温度を測定する第１温度センサ４０と、超電導コイル１２の温度を測定する第２温度センサ４２とを備える。

超電導コイル１２は、公知の超電導コイル（たとえば、いわゆる低温超電導コイル）であってもよく、超電導転移温度以下の極低温に冷却された状態で通電されることにより強力な磁場を発生するように構成される。超電導コイル１２は、輻射シールド１４および電流リード１８とともに真空容器１６に収容される。

輻射シールド１４は、超電導コイル１２を囲むように配置され、それにより、周囲環境（例えば室温大気圧環境）または真空容器１６の容器壁から超電導コイル１２に侵入しうる輻射熱を遮蔽する。輻射シールド１４は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

電流リード１８は、超電導コイル１２を電源装置（図示せず）に接続するために超電導磁石装置１０に設置されている。電源装置は、真空容器１６の外部に配置される。電流リード１８は、真空容器１６に設置されたフィードスルー部を通じて電源装置に接続される金属電流リード１８ａと、金属電流リード１８ａに接続された超電導電流リード１８ｂとを備える。超電導電流リード１８ｂは超電導コイル１２に接続される。金属電流リード１８ａは、銅（例えばタフピッチ銅）や真鍮など導電性に優れる金属材料で形成される。超電導電流リード１８ｂは、銅酸化物超電導体またはその他の高温超電導材料で形成されうる。あるいは、超電導電流リード１８ｂは、ＮｂＴｉに代表される低温超電導材料で形成されてもよい。電流リード１８は、少なくとも正極側と負極側で一対に設けられ、外部電源から電流リード１８を通じて超電導コイル１２に励磁電流が供給される。それにより、超電導磁石装置１０は、強力な磁場を発生することができる。

極低温冷凍機１００は、この実施の形態においては、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。ただし、一般的なＧＭ冷凍機は１台のコールドヘッドを１台の圧縮機で動作させるが、この極低温冷凍機１００は、そうではなく、２台のコールドヘッドを１台の圧縮機で動作させる。より具体的には、極低温冷凍機１００は、超電導コイル１２を冷却するメインコールドヘッド１０２と、輻射シールド１４を冷却するサブコールドヘッド１０４と、メインコールドヘッド１０２およびサブコールドヘッド１０４に冷媒ガスを供給する共通の圧縮機１０６と、を備える。コールドヘッドは、膨張機とも称される。また、極低温冷凍機１００は、メインコールドヘッド１０２、サブコールドヘッド１０４、および圧縮機１０６を接続する分岐配管１０８と、極低温冷凍機１００を制御するコントローラ１１０とを備える。

圧縮機１０６は、極低温冷凍機１００の冷媒ガスをメインコールドヘッド１０２およびサブコールドヘッド１０４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをこれら２台のコールドヘッドに供給するよう構成されている。圧縮機１０６と各コールドヘッドとの間の冷媒ガスの循環が各コールドヘッド内での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、極低温冷凍機１００の冷凍サイクルが構成され、それにより各コールドヘッドの冷却ステージが所望の極低温に冷却される。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。理解のために、冷媒ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

なお、一般に、圧縮機１０６から供給される冷媒ガスの圧力と、圧縮機１０６に回収される冷媒ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。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。典型的には、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。

メインコールドヘッド１０２は、この実施の形態においては、超電導コイル１２および輻射シールド１４を冷却する二段式のコールドヘッドである。メインコールドヘッド１０２は、駆動部１０３と、一段冷却ステージ１０２ａと、二段冷却ステージ１０２ｂとを備える。駆動部１０３は真空容器１６に装着され周囲環境に配置されるのに対し、一段冷却ステージ１０２ａおよび二段冷却ステージ１０２ｂは、真空容器１６の中に配置される。

駆動部１０３は、メインコールドヘッド１０２を駆動する電気モータ１０３ａを有する。ＧＭ冷凍機の場合、電気モータ１０３ａを駆動するとき、メインコールドヘッド１０２に内蔵されるディスプレーサと切替バルブ（例えばロータリーバルブ）がＧＭサイクルを構成するように同期して動作する。ディスプレーサは、メインコールドヘッド１０２内の冷媒ガスの膨張室の容積を制御し、切替バルブは、圧縮機１０６からの冷媒ガスの供給と回収を切り替えることによってメインコールドヘッド１０２内の膨張室の冷媒ガス圧力を制御する。また、駆動部１０３には、高圧ポート１０３ｂおよび低圧ポート１０３ｃが設けられている。メインコールドヘッド１０２は、高圧の冷媒ガスを高圧ポート１０３ｂから切替バルブを通じてメインコールドヘッド１０２内の膨張室へと受け入れ、膨張室で膨張した低圧の冷媒ガスを切替バルブを通じて低圧ポート１０３ｃから送出する。

メインコールドヘッド１０２は、電気モータ１０３ａが停止されるときメインコールドヘッド１０２内の膨張室が圧縮機１０６から切り離されるように構成されうる。そのような構成は、例えば、メインコールドヘッド１０２の切替バルブがロータリーバルブである場合、メインコールドヘッド１０２内の膨張室が圧縮機１０６の吐出側と吸入側の両方に同時に接続するタイミングがないようにロータリーバルブを設計することで実現される。あるいは、メインコールドヘッド１０２内の膨張室が圧縮機１０６の吐出側と吸入側の両方から切り離されるように選択された回転角度でロータリーバルブを停止させることにより実現されてもよい。この場合、電気モータ１０３ａの停止によりロータリーバルブが当該回転角度で停止され、メインコールドヘッド１０２への冷媒ガスの出入りがなくなる。

一段冷却ステージ１０２ａは、輻射シールド１４に熱的に結合され、輻射シールド１４を冷却する。一段冷却ステージ１０２ａは、輻射シールド１４に直接取り付けられてもよいし、可撓性または剛性の伝熱部材を介して輻射シールド１４に接続されてもよい。また、一段冷却ステージ１０２ａは、金属電流リード１８ａに熱的に結合され、金属電流リード１８ａを冷却する。この実施の形態では、金属電流リード１８ａは、輻射シールド１４を介して冷却されるが、そのほかの伝熱部材を介してまたは一段冷却ステージ１０２ａに直接取り付けられて冷却されてもよい。

この実施の形態においては、超電導磁石装置１０は、伝導冷却タイプである。超電導コイル１２は、極低温冷凍機１００によって直接冷却される。メインコールドヘッド１０２の二段冷却ステージ１０２ｂは、可撓性または剛性の伝熱部材４４を介して超電導コイル１２に熱的に結合され、超電導コイル１２を冷却する。また、二段冷却ステージ１０２ｂは、超電導電流リード１８ｂに熱的に結合され、超電導電流リード１８ｂを冷却する。超電導電流リード１８ｂは、伝熱部材４６を介してまたは二段冷却ステージ１０２ｂに直接取り付けられて冷却されてもよい。二段冷却ステージ１０２ｂと超電導電流リード１８ｂは、超電導コイル１２と同じく輻射シールド１４の中に配置される。

サブコールドヘッド１０４は、この実施の形態においては、単段式のコールドヘッドである。サブコールドヘッド１０４は、駆動部１０５と、冷却ステージ１０４ａとを備える。駆動部１０５は真空容器１６に装着され周囲環境に配置され、冷却ステージ１０４ａは、真空容器１６の中に配置される。

駆動部１０５は、サブコールドヘッド１０４を駆動する電気モータ１０５ａを有する。ＧＭ冷凍機の場合、電気モータ１０５ａを駆動するとき、サブコールドヘッド１０４に内蔵されるディスプレーサと切替バルブ（例えばロータリーバルブ）がＧＭサイクルを構成するように同期して動作する。ディスプレーサは、サブコールドヘッド１０４内の冷媒ガスの膨張室の容積を制御し、切替バルブは、圧縮機１０６からの冷媒ガスの供給と回収を切り替えることによってサブコールドヘッド１０４内の冷媒ガス圧力を制御する。また、サブコールドヘッド１０４の駆動部１０５には、高圧ポート１０５ｂおよび低圧ポート１０５ｃが設けられている。サブコールドヘッド１０４は、高圧の冷媒ガスを高圧ポート１０５ｂから切替バルブを通じてサブコールドヘッド１０４内の膨張室へと受け入れ、膨張室で膨張した低圧の冷媒ガスを切替バルブを通じて低圧ポート１０５ｃから送出する。

サブコールドヘッド１０４は、電気モータ１０５ａが停止されるときサブコールドヘッド１０４内の膨張室が圧縮機１０６から切り離されるように構成されうる。そのような構成は、例えば、サブコールドヘッド１０４の切替バルブがロータリーバルブである場合、サブコールドヘッド１０４内の膨張室が圧縮機１０６の吐出側と吸入側の両方に同時に接続するタイミングがないようにロータリーバルブを設計することで実現される。あるいは、サブコールドヘッド１０４内の膨張室が圧縮機１０６の吐出側と吸入側の両方から切り離されるように選択された回転角度でロータリーバルブを停止させることにより実現されてもよい。この場合、電気モータ１０５ａの停止によりロータリーバルブが当該回転角度で停止され、サブコールドヘッド１０４への冷媒ガスの出入りがなくなる。

サブコールドヘッド１０４の冷却ステージ１０４ａは、輻射シールド１４に熱的に結合され、輻射シールド１４を冷却する。冷却ステージ１０４ａは、輻射シールド１４に直接取り付けられてもよいし、可撓性または剛性の伝熱部材を介して輻射シールド１４に接続されてもよい。また、冷却ステージ１０４ａは、金属電流リード１８ａに熱的に結合され、金属電流リード１８ａを冷却する。金属電流リード１８ａは、この実施の形態では、輻射シールド１４を介して冷却されるが、そのほかの伝熱部材を介してまたは冷却ステージ１０４ａに直接取り付けられて冷却されてもよい。なおサブコールドヘッド１０４は、超電導コイル１２は冷却しない。

メインコールドヘッド１０２の一段冷却ステージ１０２ａとサブコールドヘッド１０４の冷却ステージ１０４ａは、例えば３０Ｋ～８０Ｋ（通例は３０Ｋ～５０Ｋ、例えば４０Ｋ）に冷却され、メインコールドヘッド１０２の二段冷却ステージ１０２ｂは、例えば３Ｋ～２０Ｋ（通例は３Ｋ～４Ｋ）に冷却される。これら冷却ステージはいずれも、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

圧縮機１０６は、真空容器１６の外に配置される。圧縮機１０６は、圧縮機本体１０６ａ、圧縮機筐体１０６ｂ、吐出ポート１０６ｃ、および吸入ポート１０６ｄを備える。圧縮機本体１０６ａは、その吸入口から吸入される冷媒ガスを内部で圧縮して吐出口から吐出するよう構成されている。圧縮機本体１０６ａは、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または冷媒ガスを昇圧するそのほかのポンプであってもよい。圧縮機本体１０６ａは、固定された一定の冷媒ガス流量を吐出するよう構成されていてもよい。あるいは、圧縮機本体１０６ａは、吐出する冷媒ガス流量を可変とするよう構成されていてもよい。圧縮機本体１０６ａは、圧縮カプセルと称されることもある。圧縮機本体１０６ａは、圧縮機筐体１０６ｂに収容されている。吐出ポート１０６ｃおよび吸入ポート１０６ｄは、圧縮機筐体１０６ｂに設置されている。吐出ポート１０６ｃは、圧縮機本体１０６ａの吐出口に接続され、吸入ポート１０６ｄは、圧縮機本体１０６ａの吸入口に接続されている。圧縮機１０６は、圧縮機ユニットとも称される。

分岐配管１０８は、高圧側配管１０８ａと低圧側配管１０８ｂとを備える。高圧側配管１０８ａは、高圧の冷媒ガスを圧縮機１０６からメインコールドヘッド１０２とサブコールドヘッド１０４の両方に供給することができるように、圧縮機１０６をメインコールドヘッド１０２およびサブコールドヘッド１０４に接続する。高圧側配管１０８ａは、圧縮機１０６の吐出ポート１０６ｃから延び、途中で２本の枝管に分岐して、メインコールドヘッド１０２の高圧ポート１０３ｂとサブコールドヘッド１０４の高圧ポート１０５ｂのそれぞれに接続される。低圧側配管１０８ｂは、低圧の冷媒ガスをメインコールドヘッド１０２とサブコールドヘッド１０４の両方から圧縮機１０６に回収することができるように、メインコールドヘッド１０２およびサブコールドヘッド１０４を圧縮機１０６に接続する。低圧側配管１０８ｂは、メインコールドヘッド１０２の低圧ポート１０５ｃとサブコールドヘッド１０４の低圧ポート１０５ｃのそれぞれから延び、途中で合流して、圧縮機１０６の吸入ポート１０６ｄに接続される。分岐配管１０８は、一例として、フレキシブル管により構成されるが、リジッド管で構成されてもよい。

コントローラ１１０は、第１温度センサ４０または第２温度センサ４２の出力に基づいて、または上位のコントローラ（例えば、超電導磁石装置１０またはこれが搭載された上位システムを制御するコントローラ）からの指令信号に従って、メインコールドヘッド１０２、サブコールドヘッド１０４、および圧縮機１０６のオンオフを制御するように構成されている。すなわち、コントローラ１１０は、メインコールドヘッド１０２の電気モータ１０３ａのオンオフ、およびサブコールドヘッド１０４の電気モータ１０５ａのオンオフを制御する。また、コントローラ１１０は、圧縮機本体１０６ａのオンオフを制御する。コントローラ１１０は、メインコールドヘッド１０２、サブコールドヘッド１０４、および圧縮機１０６のオンオフを個別に制御することができる。

コントローラ１１０は、圧縮機筐体１０６ｂの外表面に取り付けられ、または圧縮機筐体１０６ｂに収容されている。あるいは、コントローラ１１０は、圧縮機１０６から離れて配置され、配線により圧縮機１０６に接続されてもよい。また、コントローラ１１０は、商用電源などの主電源（図示せず）に接続されており、この主電源にメインコールドヘッド１０２とサブコールドヘッド１０４をそれぞれ第１給電線１１２ａと第２給電線１１２ｂにより接続する。よって、メインコールドヘッド１０２の電気モータ１０３ａは第１給電線１１２ａを通じて給電され、サブコールドヘッド１０４の電気モータ１０５ａは第２給電線１１２ｂを通じて給電される。

詳細は後述するが、コントローラ１１０は、超電導磁石装置１０の初期冷却のためにサブコールドヘッド１０４を起動し、第１温度センサ４０または第２温度センサ４２の出力に基づいてサブコールドヘッド１０４を停止させ、サブコールドヘッド１０４を停止した状態でメインコールドヘッド１０２を動作させるよう構成される。また、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を停止した状態でメインコールドヘッド１０２を動作させている間に、第１温度センサ４０または第２温度センサ４２の出力に基づいてサブコールドヘッド１０４を再び起動するよう構成される。

コントローラ１１０は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

第１温度センサ４０は、一例として輻射シールド１４に設置されるが、他の部位に設置されてもよい。たとえば、第１温度センサ４０は、メインコールドヘッド１０２の一段冷却ステージ１０２ａ、またはサブコールドヘッド１０４の冷却ステージ１０４ａ、またはこれら冷却ステージによって冷却される部位（たとえば、金属電流リード１８ａ）に設置されてもよい。複数の第１温度センサ４０が互いに異なる場所に設置されてもよい。また、第２温度センサ４２は、一例として超電導コイル１２に設置されるが、他の部位に設置されてもよい。たとえば、第２温度センサ４２は、メインコールドヘッド１０２の二段冷却ステージ１０２ｂ、またはこれにより冷却される部位（たとえば、超電導電流リード１８ｂ）に設置されてもよい。複数の第２温度センサ４２が互いに異なる場所に設置されてもよい。

図２は、実施の形態に係る超電導磁石装置１０の初期冷却の制御方法を例示するフローチャートである。図２に示される制御ルーチンは、コントローラ１１０によって、超電導磁石装置１０の起動に際して実行される。コントローラ１１０は、上位のコントローラ（例えば、超電導磁石装置１０を制御するコントローラ）からの指令信号に応じて本制御ルーチンを開始してもよい。なお、超電導磁石装置１０の初期冷却とは、超電導磁石装置１０の起動に際して環境温度（例えば室温）から目標冷却温度（超電導転移温度以下の極低温であり、例えば３～４Ｋ程度）に超電導コイル１２を冷却することをいう。

コントローラ１１０は、超電導磁石装置１０の初期冷却のためにサブコールドヘッド１０４を起動する（Ｓ１０）。すなわち、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４の電気モータ１０５ａをオフからオンに切り替え、サブコールドヘッド１０４を動作させる。コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を起動する前または起動すると同時に、圧縮機１０６を動作させる。こうして、極低温冷凍機１００は、サブコールドヘッド１０４による輻射シールド１４の冷却を開始する。

コントローラ１１０は、第１温度センサ４０によって測定される温度を示す第１センサ信号を第１温度センサ４０から受け、第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１を目標冷却温度Ｔ１ａと比較する（Ｓ１２）。この目標冷却温度Ｔ１ａは、超電導磁石装置１０の定常運転において輻射シールド１４が維持されるべき温度であってもよく、例えば３０Ｋ～８０Ｋ（通例は３０Ｋ～５０Ｋ）の温度範囲から選択されてもよく、例えば４０Ｋであってもよい。第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１が目標冷却温度Ｔ１ａを上回る場合（Ｓ１２のＮ）、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４の電気モータ１０５ａをオンのままとし、サブコールドヘッド１０４を動作させる。こうして、サブコールドヘッド１０４による輻射シールド１４の冷却が継続される。そして、コントローラ１１０は、第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１を目標冷却温度Ｔ１ａと再び比較する（Ｓ１２）。

第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１が目標冷却温度Ｔ１ａ以下である場合（Ｓ１２のＹ）、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を停止させる（Ｓ１４）。すなわち、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４の電気モータ１０５ａをオンからオフに切り替え、サブコールドヘッド１０４を停止させる。サブコールドヘッド１０４を停止させる前または停止させると同時にメインコールドヘッド１０２を起動することにより、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を停止した状態でメインコールドヘッド１０２を動作させる。こうして、極低温冷凍機１００は、メインコールドヘッド１０２による超電導コイル１２の冷却を行う。そして、超電導コイル１２がその目標冷却温度（例えば３Ｋ～４Ｋ程度）まで冷却されたとき初期冷却は完了し、超電導磁石装置１０は定常運転に移行する。

図３は、実施の形態に係る超電導磁石装置１０の初期冷却における温度プロファイルの一例を示す図である。図３の縦軸及び横軸はそれぞれ温度及び時間を表す。図３には、輻射シールド１４の温度Ｔ１及び超電導コイル１２の温度Ｔ２の時間変化を概略的に示す。初期冷却を開始するときの輻射シールド１４の温度Ｔ１及び超電導コイル１２の温度Ｔ２の初期値Ｔ０はともに例えば３００Ｋであり、輻射シールド１４及び超電導コイル１２の目標冷却温度はそれぞれ例えば４０Ｋ、３．５Ｋである。また、図３の下部には、極低温冷凍機１００の各コールドヘッドのオンオフ状態の一例を示す。

図３には、コントローラ１１０がサブコールドヘッド１０４を起動するときメインコールドヘッド１０２も起動する場合を例示する。この場合、輻射シールド１４の温度Ｔ１が目標冷却温度４０Ｋに到達するまでメインコールドヘッド１０２とサブコールドヘッド１０４の両方が動作する。輻射シールド１４はメインコールドヘッド１０２とサブコールドヘッド１０４の両方によって急速に冷却されることができる。

上述のように、輻射シールド１４の温度が目標冷却温度以下となったとき、サブコールドヘッド１０４は停止される。このとき、超電導コイル１２は、超電導磁石装置１０の仕様によるが、輻射シールド１４の目標冷却温度よりも低い温度まで冷却されうる。あるいは、超電導コイル１２は、輻射シールド１４の目標冷却温度ほど冷えていないこともありうる。いずれにしても、メインコールドヘッド１０２による超電導コイル１２の冷却が継続され、超電導コイル１２の温度Ｔ２が目標冷却温度３．５Ｋに到達すると、超電導磁石装置１０の初期冷却は完了する。

初期冷却の完了とともに、超電導磁石装置１０は定常運転に移行する。基本的には、定常運転では、サブコールドヘッド１０４は停止された状態で、メインコールドヘッド１０２が動作し、輻射シールド１４および超電導コイル１２がそれぞれの目標冷却温度に維持される。定常運転においては、超電導コイル１２に電流リード１８を通じて励磁電流が供給される。それにより、超電導磁石装置１０は、強力な磁場を発生することができる。

実施の形態によると、超電導磁石装置１０には、液体ヘリウムフリーの超電導コイル冷却システムが実現される。

極低温冷凍機１００においては、メインコールドヘッド１０２とサブコールドヘッド１０４が共通の圧縮機１０６によって駆動される。つまり、複数台のコールドヘッドを１台の圧縮機１０６で動作させることができる。よって、１台のコールドヘッドを１台の圧縮機で動作させる典型的な構成に比べて、実施の形態に係る極低温冷凍機１００は、圧縮機１０６の台数を少なくすることができ、コストを低減することができる。

また、超電導磁石装置１０の初期冷却においてサブコールドヘッド１０４を起動することによって、初期冷却にかかる時間を短縮することができる。仮に、極低温冷凍機１００がサブコールドヘッド１０４を有しない場合、超電導磁石装置１０の初期冷却は、メインコールドヘッド１０２のみによって行われる。この場合、初期冷却には典型的に例えば数日または一週間以上のかなり長い時間がかかる。これに対して、初期冷却にサブコールドヘッド１０４を利用することにより、輻射シールド１４の冷却にかかる時間を顕著に低減し、例えば半分程度に短くすることができる。その結果、超電導磁石装置１０の初期冷却にかかる時間を一日または数日短縮することができる。

さらに、初期冷却を完了したときサブコールドヘッド１０４を停止させるので、それ以降、圧縮機１０６はサブコールドヘッド１０４に冷媒ガスを供給しなくてもよい。より多くの冷媒ガスを圧縮機１０６からメインコールドヘッド１０２に供給することができ、メインコールドヘッド１０２の冷凍能力を高めることができる。

図４（ａ）から図４（ｃ）は、極低温冷凍機１００の各コールドヘッドのオンオフのタイミングの変形例を示す図である。上述の実施の形態では、メインコールドヘッド１０２とサブコールドヘッド１０４が同時に起動されるが、メインコールドヘッド１０２の起動は様々なタイミングであってもよい。

図４（ａ）に示されるように、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を停止させるとき、メインコールドヘッド１０２を起動するよう構成されてもよい。すなわち、輻射シールド１４が目標冷却温度まで冷却されたとき、超電導磁石装置１０の冷却がサブコールドヘッド１０４からメインコールドヘッド１０２に切り替えられてもよい。このようにすれば、超電導磁石装置１０の初期冷却において当初はメインコールドヘッド１０２が停止されているので、圧縮機１０６からサブコールドヘッド１０４のみに集中的に冷媒ガスを供給することができる。サブコールドヘッド１０４の冷凍能力を高め、輻射シールド１４をより速く冷却することができる。

あるいは、図４（ｂ）に示されるように、コントローラ１１０は、サブコールドヘッドを動作させている間に、メインコールドヘッド１０２を起動するよう構成されてもよい。すなわち、輻射シールド１４を目標冷却温度に向けて冷却している途中で、サブコールドヘッドを動作させながらメインコールドヘッド１０２が起動されてもよい。このようにすれば、図４（ａ）の例と同様に超電導磁石装置１０の初期冷却の当初はサブコールドヘッド１０４の冷凍能力を高めることができる。また、輻射シールド１４の目標冷却温度への冷却中にメインコールドヘッド１０２を起動し、メインコールドヘッド１０２を予冷することができる。サブコールドヘッド１０４の停止からメインコールドヘッド１０２による超電導コイル１２の冷却へと円滑に移行することができる。

図４（ｃ）に示されるように、場合によっては、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を起動する前に（すなわちサブコールドヘッド１０４を停止した状態で）、メインコールドヘッドを起動するよう構成されてもよい。このようにすれば、超電導コイル１２を優先的に冷却することができる。

上述の実施の形態では、コントローラ１１０は、第１温度センサ４０の出力に基づいてサブコールドヘッド１０４を停止させるように構成されているが、第２温度センサ４２の出力に基づいてサブコールドヘッド１０４を停止させるように構成されてもよい。コントローラ１１０は、第２温度センサ４２によって測定される温度を示す第２センサ信号を第２温度センサ４２から受け、第２温度センサ４２の測定温度を輻射シールド１４の目標冷却温度と比較してもよい。第２温度センサ４２の測定温度が目標冷却温度以下である場合、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を停止させてもよい。コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を起動するとき、またはサブコールドヘッド１０４を動作させている間に、またはサブコールドヘッド１０４を停止させるとき、メインコールドヘッド１０２を起動するよう構成されてもよい。

図５は、実施の形態に係る超電導磁石装置１０の定常運転における冷却の制御方法を例示するフローチャートである。図５に示される制御ルーチンは、コントローラ１１０によって、超電導磁石装置１０の定常運転中に実行される。図５に示される処理が開始されるとき、超電導コイル１２と輻射シールド１４は、メインコールドヘッド１０２によってそれぞれの目標冷却温度に冷却されている。

図５に示される処理が開始されると、コントローラ１１０は、第１温度センサ４０によって測定される温度を示す第１センサ信号を第１温度センサ４０から受け、第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１を警戒温度Ｔ１ｂと比較する（Ｓ２０）。例えば電流リード１８における発熱またはそのほかの要因により、第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１が上昇し目標冷却温度Ｔ１ａから乖離しうる。そこで、警戒温度Ｔ１ｂは、このような温度上昇を検知するための温度しきい値として設定される。警戒温度Ｔ１ｂは、輻射シールド１４の目標冷却温度Ｔ１ａより高い温度値に設定され、例えば５０Ｋ～８０Ｋの範囲から選択されてもよい。警戒温度Ｔ１ｂは、超電導磁石装置１０の設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１が警戒温度Ｔ１ｂ以下である場合（Ｓ２０のＮ）、コントローラ１１０は、メインコールドヘッド１０２の電気モータ１０３ａをオンのままとし、メインコールドヘッド１０２を動作させる。こうして、メインコールドヘッド１０２による超電導コイル１２と輻射シールド１４の冷却が継続される。そして、コントローラ１１０は、第１温度センサ４０の測定温度を警戒温度と再び比較する（Ｓ２０）。

第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１が警戒温度Ｔ１ｂを超える場合（Ｓ２０のＹ）、コントローラ１１０は、メインコールドヘッド１０２を停止させる（Ｓ２２）。すなわち、コントローラ１１０は、メインコールドヘッド１０２の電気モータ１０３ａをオンからオフに切り替え、メインコールドヘッド１０２を停止させる。このとき、コントローラ１１０は、メインコールドヘッド１０２を停止させると同時に、サブコールドヘッド１０４を起動する。すなわち、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４の電気モータ１０５ａをオフからオンに切り替え、サブコールドヘッド１０４を動作させる。

コントローラ１１０は、第１温度センサ４０によって測定される温度を示す第１センサ信号を第１温度センサ４０から受け、第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１を目標冷却温度Ｔ１ａと比較する（Ｓ２４）。第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１が目標冷却温度Ｔ１ａを上回る場合（Ｓ２４のＮ）、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４の電気モータ１０５ａをオンのままとし、サブコールドヘッド１０４を動作させる。こうして、サブコールドヘッド１０４による輻射シールド１４の冷却が継続される。そして、コントローラ１１０は、第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１を目標冷却温度Ｔ１ａと再び比較する（Ｓ２４）。

第１温度センサ４０の測定温度Ｔ１が目標冷却温度Ｔ１ａ以下である場合（Ｓ２４のＹ）、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を停止させる（Ｓ２６）。すなわち、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４の電気モータ１０５ａをオンからオフに切り替え、サブコールドヘッド１０４を停止させる。このとき、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を停止させると同時に、メインコールドヘッド１０２を起動する。すなわち、コントローラ１１０は、メインコールドヘッド１０２の電気モータ１０３ａをオフからオンに切り替え、メインコールドヘッド１０２を動作させる。こうして、超電導磁石装置１０は、もとの定常運転、すなわちメインコールドヘッド１０２による超電導コイル１２と輻射シールド１４の冷却に復帰する。

図６は、実施の形態に係る超電導磁石装置１０の定常運転における温度プロファイルの一例を示す図である。図６には、輻射シールド１４の温度の時間変化を概略的に示す。また、図６の下部には、極低温冷凍機１００の各コールドヘッドのオンオフ状態の一例を示す。

上述のように、定常運転中、輻射シールド１４は目標冷却温度Ｔ１ａに維持されるべきであるが、何らかの要因で温度上昇が起こりうる。輻射シールド１４の温度が目標冷却温度Ｔ１ａから上昇し警戒温度Ｔ１ｂに達したとき、メインコールドヘッド１０２は停止され、サブコールドヘッド１０４が駆動される。サブコールドヘッド１０４により輻射シールド１４が冷却される。輻射シールド１４の温度が目標冷却温度Ｔ１ａ以下に復帰したとき、サブコールドヘッド１０４は停止され、再びメインコールドヘッド１０２が起動される。こうして、超電導磁石装置１０は、定常運転に復帰する。

実施の形態によると、超電導磁石装置１０の定常運転において、サブコールドヘッド１０４を停止した状態でメインコールドヘッド１０２を動作させている間に、サブコールドヘッド１０４が、第１温度センサ４０の出力に基づいて再び起動される。これにより、サブコールドヘッド１０４の冷却により輻射シールド１４の温度上昇を抑え、超電導磁石装置１０の運転を継続することができる。

また、サブコールドヘッド１０４を再び起動するとき、メインコールドヘッド１０２が停止される。メインコールドヘッド１０２を停止させるので、それ以降、圧縮機１０６はメインコールドヘッド１０２に冷媒ガスを供給しなくてもよい。より多くの冷媒ガスを圧縮機１０６からサブコールドヘッド１０４に供給することができ、サブコールドヘッド１０４の冷凍能力を高めることができる。とくに、超電導磁石装置１０の定常運転においては、メインコールドヘッド１０２は既に極低温に冷却されている。冷媒ガスの密度は極低温下で室温に比べてかなり小さくなる。これは、メインコールドヘッド１０２の運転に伴い、メインコールドヘッド１０２内に相当量の冷媒ガスが蓄積または吸収されることを意味する。その結果、極低温冷凍機１００を循環する冷媒ガスの流量が低下し、圧縮機１０６から供給される冷媒ガスの流量も低下する。このような状況において、メインコールドヘッド１０２を一時的に停止することによりメインコールドヘッド１０２に冷媒ガスを供給しないことは、圧縮機１０６からサブコールドヘッド１０４に供給される冷媒ガスの流量を確保することに役立つ。このようにして、サブコールドヘッド１０４の冷凍能力を高め、輻射シールド１４を急速に冷却することができる。

なお、サブコールドヘッド１０４を再び起動するときメインコールドヘッド１０２を停止させるのではなく、コントローラ１１０は、メインコールドヘッド１０２を動作させながらサブコールドヘッド１０４を起動してもよい。例えば、コントローラ１１０は、第２温度センサ４２の出力に基づいてメインコールドヘッド１０２の動作を継続してもよい。コントローラ１１０は、第２温度センサ４２によって測定される温度を示す第２センサ信号を第２温度センサ４２から受け、第２温度センサ４２の測定温度を超電導コイル１２の警戒温度と比較してもよい。超電導コイル１２の警戒温度は、超電導コイル１２の目標冷却温度より高く、例えば５Ｋ～８Ｋの温度範囲から選択されてもよい。第１温度センサ４０の測定温度が輻射シールド１４の警戒温度を超えかつ第２温度センサ４２の測定温度が超電導コイル１２の警戒温度以下の場合、コントローラ１１０は、上述のように、メインコールドヘッド１０２を停止させ、サブコールドヘッド１０４を起動してもよい。

あるいは、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を再び起動するときメインコールドヘッド１０２を一旦停止させ、サブコールドヘッド１０４を動作させている間にメインコールドヘッド１０２を再び起動してもよい。例えば、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を動作させている間に、第２温度センサ４２の出力に基づいてメインコールドヘッド１０２を再び起動してもよい。コントローラ１１０は、第２温度センサ４２によって測定される温度を示す第２センサ信号を第２温度センサ４２から受け、第２温度センサ４２の測定温度を超電導コイル１２の警戒温度と比較してもよい。第２温度センサ４２の測定温度が超電導コイル１２の警戒温度を超える場合、コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４を動作させている間にメインコールドヘッド１０２を再び起動してもよい。

上述の実施の形態においては、メインコールドヘッド１０２の電気モータ１０３ａおよびサブコールドヘッド１０４の電気モータ１０５ａはともに固定された一定の回転数で動作するものであるが、本発明は、これに限られない。メインコールドヘッド１０２の駆動部１０３およびサブコールドヘッド１０４の駆動部１０５のうち少なくとも一方にはインバータが搭載されてもよく、それにより、電気モータ１０３ａおよび電気モータ１０５ａのうち少なくとも一方の回転数は可変とされてもよい。これを利用して、加速冷却機能が、メインコールドヘッド１０２およびサブコールドヘッド１０４のうち少なくとも一方に提供されてもよい。

したがって、コントローラ１１０は、第１温度センサ４０または第２温度センサ４２の出力に基づいて電気モータ１０３ａおよび電気モータ１０５ａのうち少なくとも一方の回転数を制御してもよい。例えば、コントローラ１１０は、第１温度センサ４０または第２温度センサ４２によって測定される温度が高くなるにつれて、電気モータ１０３ａおよび電気モータ１０５ａのうち少なくとも一方の回転数を増加させてもよい。このとき、コントローラ１１０は、圧縮機１０６から吐出する冷媒ガス流量を増加させるように圧縮機本体１０６ａを制御してもよい。

図７は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の変形例を概略的に示す図である。分岐配管１０８には、遮断弁が設けられてもよい。一例として、分岐配管１０８の高圧側配管１０８ａの２つの枝管それぞれに第１遮断弁１１４ａと第２遮断弁１１４ｂが設けられ、分岐配管１０８の低圧側配管１０８ｂの２つの枝管それぞれに第３遮断弁１１４ｃと第４遮断弁１１４ｄが設けられている。

すなわち、第１遮断弁１１４ａは、メインコールドヘッド１０２の高圧ポート１０３ｂを高圧側配管１０８ａの分岐点１１６に接続する高圧側配管１０８ａの一方の枝管に設けられ、第２遮断弁１１４ｂは、サブコールドヘッド１０４の高圧ポート１０５ｂを高圧側配管１０８ａの分岐点１１６に接続する高圧側配管１０８ａの他方の枝管に設けられている。また、第３遮断弁１１４ｃは、メインコールドヘッド１０２の低圧ポート１０３ｃを低圧側配管１０８ｂの合流点１１８に接続する低圧側配管１０８ｂの一方の枝管に設けられ、第４遮断弁１１４ｄは、サブコールドヘッド１０４の低圧ポート１０５ｃを低圧側配管１０８ｂの合流点１１８に接続する低圧側配管１０８ｂの他方の枝管に設けられている。

コントローラ１１０は、メインコールドヘッド１０２のオンオフ、およびサブコールドヘッド１０４のオンオフと同期してこれら遮断弁を開閉するように構成されてもよい。メインコールドヘッド１０２の動作中は、第１遮断弁１１４ａと第３遮断弁１１４ｃが開放され、メインコールドヘッド１０２の停止中は、第１遮断弁１１４ａと第３遮断弁１１４ｃが閉鎖される。サブコールドヘッド１０４の動作中は、第２遮断弁１１４ｂと第４遮断弁１１４ｄが開放され、サブコールドヘッド１０４の停止中は、第２遮断弁１１４ｂと第４遮断弁１１４ｄが閉鎖される。これら遮断弁は、メインコールドヘッド１０２のオンオフ、およびサブコールドヘッド１０４のオンオフと同期して手動により開閉されてもよい。

このように、分岐配管１０８の枝管に遮断弁を設けることにより、いずれかのコールドヘッドを停止させるとき当該コールドヘッドを圧縮機１０６から確実に切り離すことができる。これにより、停止中のコールドヘッドで冷媒ガスが消費されることが防止され、動作中のコールドヘッドにより多くの冷媒ガスを供給することができる。

なお、図７に示される例では、４つの遮断弁が設けられているが、分岐配管１０８は、これより少数の遮断弁を備えてもよい。例えば、メインコールドヘッド１０２を圧縮機１０６から切り離すために、第１遮断弁１１４ａと第３遮断弁１１４ｃのうち一方のみが設けられてもよい。また、サブコールドヘッド１０４を圧縮機１０６から切り離すために、第２遮断弁１１４ｂと第４遮断弁１１４ｄのうち一方のみが設けられてもよい。

図８は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００のサブコールドヘッド１０４の変形例を概略的に示す図である。極低温冷凍機１００は、サブコールドヘッド１０４を輻射シールド１４に熱接触させまたは熱接触を解除するよう構成される熱スイッチ１２０をさらに備えてもよい。

一例として、サブコールドヘッド１０４の駆動部１０５は、例えば真空ベローズなどの可動式の支持構造１２２を介して真空容器１６に装着される。極低温冷凍機１００は、サブコールドヘッド１０４を軸方向に移動可能とする駆動機構１２４を備えてもよい。駆動機構１２４は、サブコールドヘッド１０４を真空容器１６内に押し込むように移動させ、またはサブコールドヘッド１０４を真空容器１６から引き上げるように移動させるように構成される。駆動機構１２４は、油圧、空圧、電動モーター、電磁石など適宜の駆動源を有してもよい。なおサブコールドヘッド１０４は、手動により昇降されてもよい。

サブコールドヘッド１０４を真空容器１６内に押し込むことにより、サブコールドヘッド１０４の冷却ステージ１０４ａを輻射シールド１４に物理的に接触させ、サブコールドヘッド１０４を輻射シールド１４に熱接触させることができる。すなわち、熱スイッチ１２０がオンになる。サブコールドヘッド１０４を真空容器１６から引き上げることにより、サブコールドヘッド１０４の冷却ステージ１０４ａは輻射シールド１４から離れ、サブコールドヘッド１０４と輻射シールド１４の熱接触が解除される。すなわち、熱スイッチ１２０がオフになる。

コントローラ１１０は、サブコールドヘッド１０４のオンオフと同期して熱スイッチ１２０のオンオフを制御するように構成されてもよい。サブコールドヘッド１０４の動作中は、熱スイッチ１２０をオンにするように駆動機構１２４が制御され、サブコールドヘッド１０４の停止中は、熱スイッチ１２０をオフにするように駆動機構１２４が制御されてもよい。

サブコールドヘッド１０４は、超電導磁石装置１０の初期冷却に使用されるが、定常運転中は、輻射シールド１４など超電導磁石装置１０の構成要素の昇温が検知されない限り、基本的に停止している。サブコールドヘッド１０４は、停止中、周囲環境にある駆動部１０５から真空容器１６内の冷却ステージ１０４ａへの伝熱経路を形成する。

しかし、サブコールドヘッド１０４に熱スイッチ１２０を設けることにより、サブコールドヘッド１０４の停止中はサブコールドヘッド１０４を輻射シールド１４から熱的に切り離すことができる。したがって、サブコールドヘッド１０４を通じた周囲環境から輻射シールド１４への侵入熱を低減することができる。

なお、熱スイッチ１２０は、上述のようにサブコールドヘッド１０４を機械的に移動させることによりオンオフを切り替える方式には限られず、その他の方式の熱スイッチであってもよい。熱スイッチ１２０は、例えばヒートパイプなどにより構成してもよい。あるいは、サブコールドヘッド１０４の冷却ステージ１０４ａと輻射シールド１４が圧力調整可能なガス室を介して接続されてもよい。ガス室が高圧とされるときガス室のガスを媒体として冷却ステージ１０４ａと輻射シールド１４が熱接触し、ガス室が低圧または真空とされるとき冷却ステージ１０４ａと輻射シールド１４の熱接触が解除される。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の別の変形例を概略的に示す図である。極低温冷凍機１００は、メインコールドヘッド１０２およびサブコールドヘッド１０４に加えて、追加のサブコールドヘッド１３０をさらに備えてもよい。追加のサブコールドヘッド１３０は、圧縮機１０６および分岐配管１０８に取り外し可能に接続される。真空容器１６には、追加のサブコールドヘッド１３０を装着可能であり、輻射シールド１４に熱的に結合された装着スリーブ１３２が設けられている。

図９（ａ）に示されるように、例えば超電導磁石装置１０の初期冷却など大きな冷凍能力が求められるときには、追加のサブコールドヘッド１３０が装着スリーブ１３２に装着されるとともに、圧縮機１０６および分岐配管１０８に接続される。追加のサブコールドヘッド１３０の冷却ステージ１３０ａは、装着スリーブ１３２を介して輻射シールド１４に熱的に結合される。こうして、極低温冷凍機１００は、２台のサブコールドヘッドで輻射シールド１４を冷却することができる。よって、初期冷却にかかる時間をさらに短くすることができる。

図９（ｂ）に示されるように、例えば超電導磁石装置１０の定常運転中など、初期冷却に比べて小さい冷凍能力で十分であるときには、追加のサブコールドヘッド１３０は装着スリーブ１３２から抜き取られ真空容器１６から取り外される。また、追加のサブコールドヘッド１３０は圧縮機１０６および分岐配管１０８からも取り外される。追加のサブコールドヘッド１３０が装着されていないとき、装着スリーブ１３２は、蓋１３４で封じられてもよい。

図１０は、実施の形態に係る超電導磁石装置１０の変形例を概略的に示す図である。図１０に示される超電導磁石装置１０は、超電導コイル１２に少量の液体ヘリウムを循環させることによって冷却する省ヘリウムタイプの装置である。したがって、超電導磁石装置１０は、超電導コイル１２を冷却する極低温冷媒回路２０を備え、極低温冷媒回路２０は、極低温冷凍機１００とともに、超電導コイル冷却システムを構成する。極低温冷凍機１００は、上述の実施の形態と同様に、メインコールドヘッド１０２と、サブコールドヘッド１０４と、圧縮機１０６と、を備える。

極低温冷媒回路２０は、超電導コイル１２の表面及び／または内部に配置された極低温冷媒配管２１を有し、極低温冷媒配管２１を流れる極低温冷媒と超電導コイル１２との熱交換により超電導コイル１２を冷却する。極低温冷媒は、液体ヘリウムである。あるいは、極低温冷媒は、極低温冷媒回路２０に封入された高圧のヘリウムガスであってもよい。

また、極低温冷媒回路２０は、極低温冷媒の再凝縮室２２を有する。再凝縮室２２は、メインコールドヘッド１０２によって例えば３～４Ｋ程度に冷却される。再凝縮室２２は、内部に液体冷媒を貯留するよう構成され、再凝縮室２２の壁にはメインコールドヘッド１０２の二段冷却ステージ１０２ｂに熱的に結合された再凝縮部が設けられる。この再凝縮部は液体冷媒と接触する表面積を増やすためにフィン状または凹凸を再凝縮室２２の内部に有してもよい。

再凝縮室２２は、供給配管２３により極低温冷媒配管２１の入口２１ａに接続される。再凝縮室２２で再凝縮された極低温冷媒は、供給配管２３を通じて極低温冷媒配管２１に供給される。また、極低温冷媒配管２１の出口２１ｂは、戻り配管２４により再凝縮室２２に接続される。超電導コイル１２を冷却することにより気化した極低温冷媒は、戻り配管２４を通じて極低温冷媒配管２１から再凝縮室２２に戻り、再凝縮される。戻り配管２４には、気化した極低温冷媒を収容するバッファ容積２５（例えば、ヘリウムガスタンク）が接続されていてもよい。

このようにして、メインコールドヘッド１０２は、極低温冷媒回路２０を冷却し、それにより超電導コイル１２を冷却する。この実施の形態によると、超電導磁石装置１０には、省ヘリウムの超電導コイル冷却システムが実現される。超電導コイルの全体を液体ヘリウムに浸して冷却する従来型のいわゆる浸漬冷却では、たとえば１０００リットル以上の液体ヘリウムが使用される。これに対して、この省ヘリウム冷却方式では、極低温冷媒回路２０を循環する液体ヘリウムはたとえば５０リットル未満で十分である。

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。

メインコールドヘッド１０２は、二段式には限られない。メインコールドヘッド１０２は、三段式など多段式のコールドヘッドであってもよく、あるいは、必要とされる冷凍性能を実現可能であれば単段式のコールドヘッドであってもよい。メインコールドヘッド１０２が輻射シールド１４に熱的に結合されていることは必須ではなく、メインコールドヘッド１０２は、輻射シールド１４から切り離されていてもよい。また、サブコールドヘッド１０４は、単段式には限られない。サブコールドヘッド１０４は、二段式など多段式のコールドヘッドであってもよい。

極低温冷凍機１００は、ＧＭ冷凍機には限られない。極低温冷凍機１００は、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。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

本発明は、超電導磁石装置、極低温冷凍機、および超電導磁石装置の冷却方法の分野における利用が可能である。

１０ 超電導磁石装置、 １２ 超電導コイル、 １４ 輻射シールド、 ２０ 極低温冷媒回路、 ２１ 極低温冷媒配管、 ４０ 第１温度センサ、 ４２ 第２温度センサ、 １００ 極低温冷凍機、 １０２ メインコールドヘッド、 １０４ サブコールドヘッド、 １０６ 圧縮機、 １１０ コントローラ。

Claims (14)

1. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルを熱的に保護する輻射シールドと、
   前記超電導コイルを冷却するメインコールドヘッドと、
   前記輻射シールドを冷却するサブコールドヘッドと、
   前記メインコールドヘッドおよび前記サブコールドヘッドに冷媒ガスを供給する共通の圧縮機と、
   前記輻射シールドの温度を測定する第１温度センサと、
   前記超電導コイルの温度を測定する第２温度センサと、
   超電導磁石装置の初期冷却のために前記サブコールドヘッドを起動し、前記第１温度センサまたは前記第２温度センサの出力に基づいて前記サブコールドヘッドを停止させ、前記サブコールドヘッドを停止した状態で前記メインコールドヘッドを動作させるよう構成されるコントローラと、を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記コントローラは、前記サブコールドヘッドを起動するとき、または前記サブコールドヘッドを動作させている間に、または前記サブコールドヘッドを停止させるとき、前記メインコールドヘッドを起動するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. 前記コントローラは、前記第１温度センサによって測定される温度を目標冷却温度と比較し、前記測定される温度が前記目標冷却温度以下となるとき前記サブコールドヘッドを停止させるよう構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導磁石装置。
4. 前記コントローラは、前記サブコールドヘッドを停止した状態で前記メインコールドヘッドを動作させている間に、前記第１温度センサまたは前記第２温度センサの出力に基づいて前記サブコールドヘッドを再び起動するよう構成され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電導磁石装置。
5. 前記コントローラは、前記サブコールドヘッドを再び起動するとき、前記メインコールドヘッドを停止させるよう構成されることを特徴とする請求項４に記載の超電導磁石装置。
6. 前記コントローラは、前記第１温度センサによって測定される温度を警戒温度と比較し、前記測定される温度が前記警戒温度を超えるとき前記サブコールドヘッドを再び起動するよう構成されることを特徴とする請求項４または５に記載の超電導磁石装置。
7. 前記サブコールドヘッドを前記輻射シールドに熱接触させまたは熱接触を解除するよう構成される熱スイッチをさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の超電導磁石装置。
8. 前記超電導コイルの表面及び／または内部に配置された極低温冷媒配管を有し、前記極低温冷媒配管を流れる極低温冷媒と前記超電導コイルとの熱交換により前記超電導コイルを冷却する極低温冷媒回路をさらに備え、
   前記メインコールドヘッドは、前記極低温冷媒回路を冷却することによって前記超電導コイルを冷却することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の超電導磁石装置。
9. 前記メインコールドヘッドは、前記超電導コイルおよび前記輻射シールドを冷却する二段式のコールドヘッドであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の超電導磁石装置。
10. 前記サブコールドヘッドは、単段式のコールドヘッドであることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の超電導磁石装置。
11. 追加のサブコールドヘッドを装着可能であり、前記輻射シールドに熱的に結合された装着スリーブをさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の超電導磁石装置。
12. 超電導コイルと、
    前記超電導コイルを熱的に保護する輻射シールドと、
    前記超電導コイルを冷却するメインコールドヘッドと、
    前記輻射シールドを冷却するサブコールドヘッドと、
    前記メインコールドヘッドおよび前記サブコールドヘッドに冷媒ガスを供給する共通の圧縮機と、
    前記輻射シールドの温度を測定する第１温度センサと、
    前記超電導コイルの温度を測定する第２温度センサと、
    前記サブコールドヘッドを停止した状態で前記メインコールドヘッドを動作させている間に、前記第１温度センサまたは前記第２温度センサの出力に基づいて前記サブコールドヘッドを起動するよう構成されるコントローラと、を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
13. 超電導磁石装置の冷却方法であって、前記超電導磁石装置は、超電導コイルと、前記超電導コイルを熱的に保護する輻射シールドと、前記超電導コイルを冷却するメインコールドヘッドと、前記輻射シールドを冷却するサブコールドヘッドと、前記メインコールドヘッドおよび前記サブコールドヘッドに冷媒ガスを供給する共通の圧縮機と、を備え、前記冷却方法は、
    前記超電導磁石装置の初期冷却のために前記サブコールドヘッドを起動することと、
    前記輻射シールドまたは前記超電導コイルの温度に基づいて前記サブコールドヘッドを停止させることと、
    前記サブコールドヘッドを停止した状態で前記メインコールドヘッドを動作させることと、を備えることを特徴とする超電導磁石装置の冷却方法。
14. 超電導磁石装置の冷却方法であって、前記超電導磁石装置は、超電導コイルと、前記超電導コイルを熱的に保護する輻射シールドと、前記超電導コイルを冷却するメインコールドヘッドと、前記輻射シールドを冷却するサブコールドヘッドと、前記メインコールドヘッドおよび前記サブコールドヘッドに冷媒ガスを供給する共通の圧縮機と、を備え、前記冷却方法は、
    前記サブコールドヘッドを停止した状態で前記メインコールドヘッドを動作させることと、
    前記輻射シールドまたは前記超電導コイルの温度に基づいて前記サブコールドヘッドを起動することと、を備えることを特徴とする超電導磁石装置の冷却方法。

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