JPH0445740B2 - - Google Patents
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- JPH0445740B2 JPH0445740B2 JP59236912A JP23691284A JPH0445740B2 JP H0445740 B2 JPH0445740 B2 JP H0445740B2 JP 59236912 A JP59236912 A JP 59236912A JP 23691284 A JP23691284 A JP 23691284A JP H0445740 B2 JPH0445740 B2 JP H0445740B2
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は超電導装置、及びその冷却方法に係
り、特に、核磁気共鳴装置等に使用するに好適な
冷凍機を備えている超電導装置、及びその冷却方
法に関する。[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a superconducting device and a method for cooling the same, and particularly to a superconducting device equipped with a refrigerator suitable for use in a nuclear magnetic resonance apparatus, etc., and its cooling method. Regarding cooling method.
従来の超電導コイルを冷却するためのクライオ
スタツトを備えた超電導装置は、第５図、及び第
６図に示すようなものが一般的であつた。
Conventional superconducting devices equipped with a cryostat for cooling superconducting coils are generally shown in FIGS. 5 and 6.
該図は超電導コイルを用いた核磁気共鳴装置
（通常NMRと呼ばれている。）用の超電導装置を
示すもので、超電導コイルを収納し液体ヘリウム
にて浸漬されるヘリウム容器１，液体窒素を貯液
し、前記ヘリウム容器１を液体窒素温度にて熱シ
ールドするための液体窒素容器２，この液体窒素
容器２とヘリウム容器１を収納し、それとの空間
が外部からの熱侵入量を少なくするため真空に保
持されている断熱真空容器３，冷媒の注入，排
気，パワーリードの挿入時に使用されるサービス
ポート４，ヘリウム容器１、及び液体窒素容器２
を冷却するためのヘリウム冷凍機５より概略構成
される。 This figure shows a superconducting device for a nuclear magnetic resonance apparatus (usually called NMR) using a superconducting coil, which includes a helium container 1 that houses the superconducting coil and is immersed in liquid helium, and a helium container 1 that houses the superconducting coil and is immersed in liquid helium. A liquid nitrogen container 2 for storing liquid and heat shielding the helium container 1 at liquid nitrogen temperature; a space between the liquid nitrogen container 2 and the helium container 1 to reduce the amount of heat intrusion from the outside; an insulated vacuum container 3 that is kept in a vacuum, a service port 4 used for refrigerant injection, exhaust, and power lead insertion, a helium container 1, and a liquid nitrogen container 2.
It is generally composed of a helium refrigerator 5 for cooling.
次に、このように構成される超電導装置におけ
る各種冷却方式を説明する。 Next, various cooling methods in the superconducting device configured as described above will be explained.
第７図に示すのはオープン方式と言われている
もので、クライオスタツトに冷凍機をつけず、液
体窒素容器２，液体ヘリウム容器１、及び蒸発ガ
スヘリウム冷却シールド板６より概略構成され、
液体窒素容器２、及び液体ヘリウム容器１内にそ
れぞれ図示矢印の如く液体窒素（LN2）、及び液
体ヘリウム（LHe）を封入し冷却するものであ
る。このオープン方式では、冷凍機がない分装置
の価格は安価であるが、冷媒蒸発量がLHe0.5
〔／Hr〕，LN22.0〔／Hr〕と大きく、数週
間ごとにLHe，LN2を追加注入しなければなら
ず、また、冷媒の使用のため運転費が高くなる。 The one shown in FIG. 7 is said to be an open type cryostat, which does not include a refrigerator and is roughly composed of a liquid nitrogen container 2, a liquid helium container 1, and an evaporative helium cooling shield plate 6.
Liquid nitrogen (LN 2 ) and liquid helium (LHe) are sealed and cooled in a liquid nitrogen container 2 and a liquid helium container 1, respectively, as shown by the arrows in the figure. With this open system, the price of the device is low since there is no refrigerator, but the amount of refrigerant evaporation is LHe0.5.
[/Hr], LN 2 2.0 [/Hr], which requires additional injection of LHe and LN 2 every few weeks, and the use of refrigerant increases operating costs.
一方、第８図に示す方式はセミクローズド方式
と言われているもので、クライオスタツトに冷凍
機７を設置し、この冷凍機７で液体窒素容器２
と、20Kガスヘリウムシールド８とを冷却するよ
うにしているものである。このセミクローズド方
式は、オープン方式に比較してLHe，LN2の蒸発
量を1/5以下とすることが可能であり、冷媒再充
填間隔もオープン方式の数週間に対し、セミクロ
ーズド方式であると約６ケ月以上とすることが可
能となる。しかしながら、このセミクローズド方
式でもLHe0.1〔／Hr〕の蒸発量が存在する。 On the other hand, the method shown in Fig. 8 is called a semi-closed method, in which a refrigerator 7 is installed in the cryostat, and this refrigerator 7 is used to store liquid nitrogen containers.
and a 20K gas helium shield 8. This semi-closed system can reduce the amount of LHe and LN 2 evaporation to 1/5 or less compared to the open system, and the refrigerant refill interval is several weeks compared to the open system. It is possible to make the period more than about 6 months. However, even in this semi-closed system, there is an amount of evaporation of LHe0.1 [/Hr].
ところで、近年、上記オープン方式，セミクロ
ーズド方式を更に改良したクローズド方式と呼ば
れるものが考えられている。即ち、クローズド方
式とは、第９図に示すように、クライオスタツト
に設置された冷凍機７で、液体ヘリウム容器１内
の液体ヘリウム、及び液体窒素容器２内の液体窒
素を直冷するようにし、LHe，LN2の蒸発が全く
ないクライオスタツトを実現するものである。
尚、クライオスタツトの液体ヘリウム、及び液体
窒素を冷凍機で冷却するものについては、例え
ば、特開昭59−32758号公報、及び特開昭59−
86870号公報に開示されている。 Incidentally, in recent years, a so-called closed system, which is a further improvement of the open system and semi-closed system described above, has been considered. In other words, the closed system is a system in which the liquid helium in the liquid helium container 1 and the liquid nitrogen in the liquid nitrogen container 2 are directly cooled by a refrigerator 7 installed in the cryostat, as shown in FIG. , LHe, and LN 2 with no evaporation at all.
Regarding the cryostat in which liquid helium and liquid nitrogen are cooled by a refrigerator, for example, JP-A-59-32758 and JP-A-59-
It is disclosed in Publication No. 86870.
上記クローズド方式により、液体ヘリウム容器
１、及び液体窒素容器２に一度LHe，LN2を貯液
してしまえば再充填する必要がなく、高価な
LHe等の維持費、また、LHe，LN2を再注入す
る面倒な作業も必要なくなる。 With the above closed system, once LHe and LN 2 are stored in the liquid helium container 1 and liquid nitrogen container 2, there is no need to refill them, which is expensive.
Maintenance costs for LHe, etc., and the troublesome work of re-injecting LHe and LN 2 are also eliminated.
このような利点をもつクローズド方式のクライ
オスタツトは、セミクローズド方式と同様に冷凍
機をもち、装置価格はその分高くなるが、LHe
の蒸発量を完全に零とすることが不可能なセミク
ローズド方式のクライオスタツトにかわつて、今
後、医療用超電導装置の冷却方式の主流となるも
のである。 A closed type cryostat with these advantages has a refrigerator like a semi-closed type, and the equipment price is correspondingly higher, but the LHe
This will become the mainstream cooling method for medical superconducting equipment in the future, replacing the semi-closed cryostat, which is unable to completely reduce the amount of evaporation to zero.
しかし、現在提案されているクローズド方式の
クライオスタツトにも幾つかの欠点が存在する。 However, the currently proposed closed type cryostats also have some drawbacks.
第１０図に現在考えられているクローズド方式
を採用している超電導装置のもつとも典型的な例
を示す。 Figure 10 shows a typical example of a superconducting device that employs the closed system currently being considered.
該図に示す超電導装置は、超電導コイルを収納
し、液体ヘリウムにて浸漬されているヘリウム容
器１と、液体窒素を貯液しヘリウム容器１を液体
窒素温度にて熱シールドするための液体窒素容器
２と、外部からの熱侵入量を少なくするための真
空を保持する断熱真空容器３と、液体ヘリウム、
及び液体窒素の蒸発ガスを冷却凝縮するためのヘ
リウム冷凍機７と、このヘリウム冷凍機７を動作
させる高圧ヘリウムを供給するためのヘリウム圧
縮機９とより概略構成される。 The superconducting device shown in the figure includes a helium container 1 that houses a superconducting coil and is immersed in liquid helium, and a liquid nitrogen container that stores liquid nitrogen and heat-shields the helium container 1 at the liquid nitrogen temperature. 2, an insulated vacuum container 3 that maintains a vacuum to reduce the amount of heat intrusion from the outside, liquid helium,
It is generally composed of a helium refrigerator 7 for cooling and condensing evaporated gas of liquid nitrogen, and a helium compressor 9 for supplying high-pressure helium to operate the helium refrigerator 7.
このような構成におけるクローズド方式を採用
している超電導装置においては、ヘリウム冷凍機
７を動作させるとヘリウム容器１、及び液体窒素
容器２にて蒸発した液体ヘリウム、及び液体窒素
の蒸発ガスは、各容器１、及び２内に設けられて
いる凝縮管１０，１１により、ヘリウム冷凍機７
より送られてくる冷却ヘリウムガスに熱をうばわ
れ液化して冷却に寄与するようになしているもの
である。そして、ヘリウム容器１と液体窒素容器
２は、通常、第１０図のようにそれぞれ弁１２に
よつて大気と遮断され、ヘリウム容器１、又は液
体窒素容器２内の圧力を保ち、蒸発ガスの液化効
率を向上させるようにしている。 In a superconducting device that employs a closed method with such a configuration, when the helium refrigerator 7 is operated, the liquid helium evaporated in the helium container 1 and the liquid nitrogen container 2 and the evaporated gas of liquid nitrogen are The helium refrigerator 7 is
The heat is absorbed by the cooling helium gas sent from the tank, which liquefies it and contributes to cooling. The helium container 1 and the liquid nitrogen container 2 are usually isolated from the atmosphere by valves 12, respectively, as shown in FIG. We are trying to improve efficiency.
しかしながら、上述したクローズド方式の冷却
では、その安全性に特に問題がある。即ち、上述
のように、液体ヘリウム、液体窒素を各容器の中
で封じきつた状態で使用しているため、ヘリウム
冷凍機７が故障した場合、また、特に何らかの理
由でクライオスタツト内の断熱真空が破壊した場
合は、ヘリウム容器１，液体窒素容器２内への熱
侵入が増大し、液体ヘリウム，液体窒素の蒸発量
の急増による各容器内圧力が上昇する。通常、安
全弁，破壊板等により圧力は一定圧力以上上昇し
ないよう設計するが、各容器内の圧力が上昇し、
冷気を帯びたヘリウム，窒素ガスが外部に吹き出
す可能性があることは、医療用、あるいは産業用
として使用する場合、安全性が大きな問題とな
る。 However, the above-mentioned closed cooling system has particular safety problems. That is, as mentioned above, since liquid helium and liquid nitrogen are used in a tightly sealed state in each container, if the helium refrigerator 7 breaks down, or for some reason, the adiabatic vacuum inside the cryostat If the helium container 1 and the liquid nitrogen container 2 are destroyed, heat intrusion into the helium container 1 and the liquid nitrogen container 2 increases, and the pressure inside each container increases due to a rapid increase in the amount of evaporation of the liquid helium and liquid nitrogen. Normally, safety valves, rupture plates, etc. are designed to prevent the pressure from rising above a certain level, but if the pressure inside each container increases,
The possibility of cold helium and nitrogen gas blowing out poses a major safety issue when used for medical or industrial purposes.
上述のような液体ヘリウム，液体窒素の蒸発に
よる圧力上昇，冷媒吹き出しによる危険性を除去
する方式として、間接冷却方式による冷却が考え
られる。 Cooling using an indirect cooling method can be considered as a method for eliminating the dangers caused by the pressure increase due to the evaporation of liquid helium or liquid nitrogen and the blowing out of refrigerant as described above.
第１１図にこの間接冷却方式の例を示す。本方
式は、高エネルギ物理量の超電導装置によく使用
される方式であり、被冷却体である超電導コイ
ル、又は熱シールド板１３の周囲に冷却用のパイ
プ１４を敷設し、その先端部に接続されているヘ
リウム冷凍機１５より冷却さされたヘリウム冷媒
を送入し、超電導コイル，熱シールド板１３より
熱をうばうことにより、定常的に所要の温度（例
えば、4.5〔Ｋ〕，77〔Ｋ〕）に保持するものである。 FIG. 11 shows an example of this indirect cooling method. This method is often used in superconducting devices with high-energy physical quantities, and a cooling pipe 14 is laid around a superconducting coil or a heat shield plate 13, which is an object to be cooled, and a cooling pipe 14 is connected to the tip of the cooling pipe 14. By supplying cooled helium refrigerant from the helium refrigerator 15 and removing heat from the superconducting coil and heat shield plate 13, the required temperature (for example, 4.5 [K], 77 [K]) is constantly maintained. ).
本方式によれば、液体ヘリウム、及び液体窒素
を使用しないため、事故時、冷媒の蒸発による圧
力上昇，冷気を帯びたヘリウムガス，窒素ガスが
吹き出す可能性はほとんどなく、安全性は上述の
方式に比較して大幅に向上する。 Since this method does not use liquid helium or liquid nitrogen, there is almost no possibility of pressure rising due to evaporation of the refrigerant or blowing out of cold helium gas or nitrogen gas in the event of an accident, and the safety is higher than that of the above method. significantly improved compared to .
しかし、この間接冷却方式にも大きな問題があ
る。即ち、被冷却体である超電導コイル、又は熱
シールド板の初期冷却時間が長くかかりすぎる点
である。本方式によると、定常熱侵入量に見合う
だけの冷凍能力をもつヘリウム冷凍機をつける
と、いつまでたつても冷却しないようになり、逆
に、早く冷却しようとすると定常的には冷凍能力
に余裕のありすぎるヘリウム冷凍機となつてしま
う。 However, this indirect cooling method also has major problems. That is, the initial cooling time of the superconducting coil or the heat shield plate, which is the object to be cooled, is too long. According to this method, if you install a helium refrigerator with enough refrigeration capacity to meet the constant amount of heat input, it will not cool down forever, and conversely, if you try to cool it quickly, there will always be room for refrigeration capacity. It becomes a helium refrigerator with too much water.
これを第１２図を用いて説明する。 This will be explained using FIG. 12.
該図に示す如く、超電導コイル１６と、その周
囲を熱シールドする熱シールド板１７と、外部よ
りの熱侵入量を少なくするために真空を保持する
断熱真空容器３とより成るクライオスタツトに、
２ステージのヘリウム冷凍機７が設置されている
構成とする。ヘリウム冷凍機７は、77〔Ｋ〕の冷
媒を生成する第１段と、4.5〔Ｋ〕の冷媒を生成す
る第２段とより成り、第１段目のステージより出
ている冷却用パイプ１８は、熱シールド板１７、
及び超電導コイル１６の外周を包囲しており、第
２段目のステージより出た冷却用パイプ１９は、
超電導コイル１６の外周を包囲し、それぞれ冷却
用パイプ１８，１９と被冷却体との間は充分に熱
的に結合されている。 As shown in the figure, the cryostat consists of a superconducting coil 16, a heat shield plate 17 that heat shields the surroundings thereof, and an insulating vacuum vessel 3 that maintains a vacuum to reduce the amount of heat intrusion from the outside.
The configuration is such that a two-stage helium refrigerator 7 is installed. The helium refrigerator 7 consists of a first stage that produces a 77 [K] refrigerant and a second stage that produces a 4.5 [K] refrigerant, and a cooling pipe 18 that comes out from the first stage. is a heat shield plate 17,
A cooling pipe 19 that surrounds the outer periphery of the superconducting coil 16 and comes out from the second stage is
It surrounds the outer periphery of the superconducting coil 16, and the cooling pipes 18, 19 and the object to be cooled are sufficiently thermally coupled.
このような構成における被冷却体の初期冷却は
以下の如くなる。 Initial cooling of the object to be cooled in such a configuration is as follows.
まず、ヘリウム冷凍機７の内、第１ステージの
み作動させ、熱シールド板１７と超電導コイル１
６を77〔Ｋ〕まで冷却する。この時は弁２０を開
とし、第１ステージより送り出される冷媒を、熱
シールド板１７と超電導コイル１６に同時に流れ
るようにする。熱シールド板１７，超電導コイル
１６とともに77〔Ｋ〕まで冷却したら弁２０を閉
じ、ヘリウム冷凍機７の第２ステージを作動さ
せ、第２ステージより送り出される冷媒を超電導
コイル１６に流し77〔Ｋ〕より4.5〔Ｋ〕まで冷却
する。 First, only the first stage of the helium refrigerator 7 is operated, and the heat shield plate 17 and the superconducting coil 1 are
6 to 77 [K]. At this time, the valve 20 is opened so that the refrigerant sent out from the first stage flows through the heat shield plate 17 and the superconducting coil 16 at the same time. Once the heat shield plate 17 and the superconducting coil 16 have been cooled to 77 [K], the valve 20 is closed, the second stage of the helium refrigerator 7 is activated, and the refrigerant sent from the second stage is allowed to flow through the superconducting coil 16 to 77 [K]. Cool to 4.5 [K].
初期冷却後は、ヘリウム冷凍機７を定常的に作
動しつづければ、超電導コイル１６を4.5〔Ｋ〕
に、熱シールド板１７を77〔Ｋ〕に定常的に保持
することができ、液体ヘリウム，液体窒素を使用
せずに超電導状態を達成することが可能となる。 After initial cooling, if the helium refrigerator 7 continues to operate steadily, the superconducting coil 16 will be heated to 4.5 [K].
In addition, the heat shield plate 17 can be maintained at a constant temperature of 77 K, making it possible to achieve a superconducting state without using liquid helium or liquid nitrogen.
次に初期冷却時間を計算してみる。第５図、及
び第６図に示したような超電導装置において、超
電導コイル部が銅0.5〔ton〕，SuS2.0〔ton〕より成
り、熱シールド部がAl1.0〔ton〕より成るものと
する。 Next, let's calculate the initial cooling time. In the superconducting device shown in Figs. 5 and 6, the superconducting coil part is made of 0.5 [ton] of copper and 2.0 [ton] of SuS, and the heat shield part is made of 1.0 [ton] of Al. do.
クライオスタツトの熱侵入量が３〔Ｗ〕at4.5
〔Ｋ〕，50〔Ｗ〕at〔Ｋ〕とし、これを冷却するため
のヘリウム冷凍機の能力を、熱侵入量に対して若
干の余裕をみて５〔Ｗ〕at4.5〔Ｋ〕，70〔Ｗ〕at77
〔Ｋ〕とする。 The amount of heat input into the cryostat is 3 [W] at 4.5
[K], 50 [W] at [K], and the capacity of the helium refrigerator to cool it is set to 5 [W] at 4.5 [K], 70 with a slight margin for the amount of heat input. [W] at77
Let it be [K].
300〔Ｋ〕から4.5〔Ｋ〕における冷凍能力をグラ
フ化すると第１３図のようになる。 A graph of the refrigerating capacity from 300 [K] to 4.5 [K] is shown in Figure 13.
該図において、実線２１，２３がヘリウム冷凍
機の冷凍能力で破線２２，２４がクライオスタツ
トへの熱侵入量であり、両者の差の冷却量により
クライオスタツトは初期冷却される。初期冷却に
おけるクライオスタツトの温度変化を第１４図に
示す。 In the figure, solid lines 21 and 23 represent the refrigerating capacity of the helium refrigerator, and broken lines 22 and 24 represent the amount of heat entering the cryostat, and the cryostat is initially cooled by the difference in the amount of cooling between the two. FIG. 14 shows the temperature change of the cryostat during initial cooling.
実線２５が超電導コイルの温度変化，破線２６
が熱シールド板の温度変化を示す。 The solid line 25 shows the temperature change of the superconducting coil, and the broken line 26
indicates the temperature change of the heat shield plate.
第１４図より明らかなように、定常的な熱侵入
量とほぼ同程度の冷却能力をもつヘリウム冷凍機
にて、第５図、及び第６図に示す程度の寸法をも
つクライオスタツトを冷却すると、300〔Ｋ〕から
77〔Ｋ〕まで約50〔日〕，77〔Ｋ〕から4.5〔Ｋ〕まで
約５〔日〕と言う、膨大な冷却日数を必要とする。 As is clear from Figure 14, if a cryostat with the dimensions shown in Figures 5 and 6 is cooled with a helium refrigerator that has a cooling capacity that is approximately the same as the amount of steady heat input. , from 300 [K]
It takes an enormous amount of cooling days, about 50 [days] to reach 77 [K] and about 5 [days] to go from 77 [K] to 4.5 [K].
上記の例にて、冷却日数を約一週間程度とする
ためには、約10倍の冷凍能力をもつヘリウム冷凍
機を必要とし、定常的な熱侵入量が３〔Ｗ〕at4.5
〔Ｋ〕，50〔Ｗ〕at77〔Ｋ〕にもかかわらず、冷凍能
力が50〔Ｗ〕at4.5〔Ｋ〕，700〔Ｗ〕at77〔Ｋ〕もあ
る巨大な冷凍機を設置する事が必要となり、経済
性の悪い，寸法の大きな冷凍機となつてしまう。 In the above example, in order to reduce the cooling time to about one week, a helium refrigerator with about 10 times the refrigeration capacity is required, and the steady heat input amount is 3 [W] at 4.5
[K], 50 [W] at 77 [K], but it is possible to install a huge refrigerator with a refrigerating capacity of 50 [W] at 4.5 [K], 700 [W] at 77 [K]. This results in a large refrigerator that is not economical.
以上のように、従来のクローズド方式のクライ
オスタツトのように、液体ヘリウム、及び液体窒
素を貯液し、冷凍機にて蒸発ガスを凝縮させる方
式では、事故時の容器内圧力の上昇，冷媒吹き出
しという安全性の問題点があり、また、この点を
改良した間接冷却方式では、定常熱侵入量に見合
つた経済性の高い小型ヘリウム冷凍機を使用する
と初期冷却に膨大な日数を要するという問題が生
じる。 As mentioned above, in conventional closed-type cryostat systems that store liquid helium and liquid nitrogen and condense evaporated gas in a refrigerator, the pressure inside the container increases and the refrigerant blows out in the event of an accident. In addition, the indirect cooling method that has been improved on this point has the problem that initial cooling takes an enormous number of days if a small helium refrigerator is used, which is highly economical and commensurate with the amount of steady heat input. arise.
本発明は上述の点に鑑み成されたもので、その
目的とするところは、容器内の圧力上昇，冷媒吹
き出しという安全上の問題はなくなり、かつ、初
期冷却を迅速に行うことのできる超電導装置、及
びその冷却方法を提供するにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned points, and its purpose is to eliminate the safety problems of pressure rise inside the container and refrigerant blow-out, and to provide a superconducting device that can rapidly perform initial cooling. , and a cooling method thereof.
〔発明の概要〕
本発明はヘリウム容器、及び液体窒素容器内の
液体ヘリウム、及び液体窒素を冷却する冷凍機を
断熱真空容器の外筒に設置すると共に、前記ヘリ
ウム容器の内外筒、及び液体窒素容器の内外筒の
それぞれの表面に、定常冷却時に前記冷凍機から
冷媒を通してヘリウム容器、及び液体窒素容器を
間接冷却する冷却用パイプを敷設し、かつ、前記
冷凍機で行う定常冷却の前に、前記ヘリウム容
器、及び液体窒素容器内に、初期冷却用冷媒を注
入して液体ヘリウム温度、及び液体窒素温度まで
予冷する注入口を該ヘリウム容器、及び液体窒素
容器の各々に設け、更に定常状態になつた後に、
前記ヘリウム容器、及び液体窒素容器中の各冷媒
を、前記各容器内より外部に排除させる手段を備
えている超電導装置、及び初期冷却時には、まず
ヘリウム容器、及び液体窒素容器に液体窒素を注
入して液体窒素温度まで予冷し、その後、前記ヘ
リウム容器内をヘリウムガス雰囲気に置換して液
体ヘリウムを注入し液体ヘリウム温度まで冷却
し、前記ヘリウム容器、及び液体窒素容器が、そ
れぞれ液体ヘリウム温度、及び液体窒素温度とな
り定常状態になつた後、前記ヘリウム容器、及び
液体窒素容器中の各冷媒を各容器内より外部に排
除すると共に、前記冷凍機を動かすことにより生
成される冷媒を、前記ヘリウム容器、及び液体窒
素容器の内外筒の表面に敷設されている冷却用パ
イプを通し、これら各容器を間接冷却して液体ヘ
リウム温度、及び液体窒素温度に維持し、定常冷
却を行う超電導装置の冷却方法とすることによ
り、所期の目的を達成するようになしたものであ
る。[Summary of the Invention] The present invention provides a helium container, a liquid helium in the liquid nitrogen container, and a refrigerator for cooling the liquid nitrogen, which is installed in the outer cylinder of an insulated vacuum container, and the inner and outer cylinders of the helium container and the liquid nitrogen A cooling pipe is installed on each surface of the inner and outer cylinders of the container to indirectly cool the helium container and the liquid nitrogen container through a refrigerant from the refrigerator during steady cooling, and before the steady cooling performed by the refrigerator, An injection port is provided in each of the helium container and the liquid nitrogen container to inject an initial cooling refrigerant into the helium container and the liquid nitrogen container to pre-cool it to the liquid helium temperature and the liquid nitrogen temperature, and further to maintain the steady state. After getting old,
A superconducting device comprising means for expelling each refrigerant in the helium container and the liquid nitrogen container from inside each container to the outside, and at the time of initial cooling, liquid nitrogen is first injected into the helium container and the liquid nitrogen container. After that, the inside of the helium container is replaced with a helium gas atmosphere, and liquid helium is injected and cooled to the liquid helium temperature, so that the helium container and the liquid nitrogen container are cooled to the liquid helium temperature, respectively. After the liquid nitrogen temperature reaches a steady state, the refrigerants in the helium container and the liquid nitrogen container are expelled from inside each container to the outside, and the refrigerant generated by operating the refrigerator is transferred to the helium container. , and a cooling method for a superconducting device that indirectly cools each of these containers through cooling pipes laid on the surfaces of the inner and outer cylinders of the liquid nitrogen container to maintain the liquid helium temperature and the liquid nitrogen temperature for constant cooling. By doing so, the intended purpose was achieved.
以下、図面の実施例に基づいて本発明を詳細に
説明する。尚、符号は従来と同一のものは同符号
を使用する。
Hereinafter, the present invention will be explained in detail based on embodiments shown in the drawings. Incidentally, the same reference numerals are used for the same parts as in the past.
第１図，第２図、及び第３図に本発明の超電導
装置の一実施例を示す。 An embodiment of the superconducting device of the present invention is shown in FIGS. 1, 2, and 3.
該図に示す本実施例の超電導装置も、内部に超
電導コイル２９を収納し液体ヘリウムにて浸漬し
ているヘリウム容器１と、このヘリウム容器１へ
の熱侵入を低減するためにその周囲に設けられた
液体窒素容器２と、この液体窒素容器２と前記ヘ
リウム容器１をその周囲に真空に保持して収納す
る断熱真空容器３とから概略構成され、そして、
断熱真空容器３の外筒にはヘリウム冷凍機７が設
置されている。更に本実施例では、ヘリウム容器
１、及び液体窒素容器２のそれぞれに、初期冷却
用冷媒の注入口２７，２８、及びその排気口（図
示せず）を備えていると共に、ヘリウム冷凍機に
より生成される4.5〔Ｋ〕、及び77〔Ｋ〕の冷凍ガス
Heを通す冷却用パイプ１８，１９が、それぞれ
ヘリウム容器１の内外筒，液体窒素容器２の内外
筒に沿つて敷設されてあり、各容器１，２と冷却
用パイプ１８，１９の間は熱的に十分結合してい
る。 The superconducting device of this embodiment shown in the figure also includes a helium container 1 that houses a superconducting coil 29 and is immersed in liquid helium, and a helium container 1 that is provided around the helium container 1 to reduce heat intrusion into the helium container 1. It is generally composed of a liquid nitrogen container 2, which is a liquid nitrogen container 2, and an insulated vacuum container 3 that stores the liquid nitrogen container 2 and the helium container 1 while keeping the liquid nitrogen container 2 and the helium container 1 in a vacuum around the container.
A helium refrigerator 7 is installed in the outer cylinder of the insulated vacuum container 3. Furthermore, in this embodiment, the helium container 1 and the liquid nitrogen container 2 are each provided with injection ports 27 and 28 for initial cooling refrigerant, and an exhaust port (not shown) for the refrigerant produced by the helium refrigerator. 4.5 [K] and 77 [K] refrigerated gas
Cooling pipes 18 and 19 through which He passes are laid along the inner and outer cylinders of the helium container 1 and the liquid nitrogen container 2, respectively. are sufficiently connected.
次に、このような構成における本実施例の冷却
方法について説明する。 Next, the cooling method of this embodiment in such a configuration will be explained.
初期冷却時には、まず、ヘリウム容器１、及び
液体窒素容器２に注入口２７，２８を介して液体
窒素を注入し、液体窒素温度まで予冷する。その
後、ヘリウム容器１内は、ガスHeにてヘリウム
ガス雰囲気に置換し、液体ヘリウムを注入し液体
ヘリウム温度まで冷却する。上記の方法にて初期
冷却することにより、冷却時間は通常、数日にて
行なうことが可能である。 At the time of initial cooling, first, liquid nitrogen is injected into the helium container 1 and the liquid nitrogen container 2 through the injection ports 27 and 28, and is precooled to the liquid nitrogen temperature. Thereafter, the inside of the helium container 1 is replaced with a helium gas atmosphere using gas He, and liquid helium is injected to cool it to the liquid helium temperature. By performing initial cooling using the above method, the cooling time can normally be several days.
次に、ヘリウム容器１、及び液体窒素容器２が
それぞれ、液体ヘリウム温度、及び液体窒素温度
となつた後ヘリウム冷凍機７を動かすことによ
り、これにより生成される冷凍ガスHeを冷却用
パイプ１８，１９を通し、定常的に、ヘリウム容
器１、及び液体窒素容器２を液体ヘリウム温度、
及び液体窒素温度に維持することが可能となる。
この場合、ヘリウム容器１、及び液体窒素容器２
への熱侵入量を、それぞれ、３〔Ｗ〕at4.2〔Ｋ〕，
50〔Ｗ〕at77〔Ｋ〕とすると、ヘリウム冷凍機７
は、３〔Ｗ〕at4.2〔Ｋ〕，50〔Ｗ〕at77〔Ｋ〕ぎりぎ
り冷凍能力で充分であり、ヘリウム冷凍機７の小
型化により経済性を向上させる事が可能となる。 Next, after the helium container 1 and the liquid nitrogen container 2 reach the liquid helium temperature and the liquid nitrogen temperature, respectively, the helium refrigerator 7 is operated, and the frozen gas He thus generated is transferred to the cooling pipe 18, 19, the helium container 1 and the liquid nitrogen container 2 are constantly heated to the liquid helium temperature,
and liquid nitrogen temperature.
In this case, helium container 1 and liquid nitrogen container 2
3 [W] at 4.2 [K], respectively.
50 [W] at77 [K], helium refrigerator 7
The refrigeration capacity of 3 [W] at 4.2 [K], 50 [W] at 77 [K] is sufficient, and economical efficiency can be improved by downsizing the helium refrigerator 7.
定常状態になつた後は、ヘリウム容器１、及び
液体窒素容器２中の各冷媒は、各容器１，２内よ
り外部に排除させる事が可能であり、定常的に
は、間接冷却方式と同様液体ヘリウム等の蒸発に
よる圧力上昇，冷媒吹き出しを事故等に考慮しな
くともよい安全な超電導装置を得ることができ
る。 After reaching a steady state, the refrigerants in the helium container 1 and the liquid nitrogen container 2 can be expelled from the containers 1 and 2 to the outside, and in a steady state, it is the same as the indirect cooling method. It is possible to obtain a safe superconducting device in which there is no need to consider pressure rise due to evaporation of liquid helium or the like and refrigerant blow-out as accidents.
尚、上記実施例において、超電導コイル２９の
通電時、パワーリードよりの熱侵入量が増加する
場合、あるいは永久電流スイツチにより内部発熱
が存在する場合など、超電導コイル２９の温度が
上昇する危険がある時には、超電導コイル２９を
液体ヘリウムにて浸漬しておく必要がある。ま
た、ヘリウム冷凍機７のメンテナンス時にも同様
に、超電導コイル２９に温度上昇の危険がある場
合は、超電導コイル２９を液体ヘリウムにて浸漬
しておく必要がある。 In the above embodiment, when the superconducting coil 29 is energized, there is a risk that the temperature of the superconducting coil 29 will rise if the amount of heat entering from the power lead increases or if internal heat generation is generated due to a persistent current switch. Sometimes it is necessary to immerse the superconducting coil 29 in liquid helium. Similarly, during maintenance of the helium refrigerator 7, if there is a risk of temperature rise in the superconducting coil 29, it is necessary to immerse the superconducting coil 29 in liquid helium.
この液体ヘリウムはその後、外部に排除させる
事でやはり、定常的には液体ヘリウムのない状態
でクライオスタツトを安全に動作させることが可
能である。 By subsequently expelling this liquid helium to the outside, it is possible to safely operate the cryostat without liquid helium on a regular basis.
また、超電導コイル２９、又はヘリウム容器１
に充分な熱容器を持たせておき、通電時、又はヘ
リウム冷凍機７のメンテナンス時等の一時的な熱
侵入量増加時にも、超電導コイル２９の温度上昇
が超電導状態が破壊する温度マージンをこえない
ようにしておけば液体ヘリウムを浸漬することな
く安定に運転する事が可能である。 In addition, the superconducting coil 29 or the helium container 1
By providing a sufficient heat container for the superconducting coil 29, even when the amount of heat input temporarily increases during energization or maintenance of the helium refrigerator 7, the temperature rise in the superconducting coil 29 exceeds the temperature margin at which the superconducting state is destroyed. If it is not immersed in liquid helium, stable operation is possible.
第４図は本発明の他の実施例を示す。該図に示
す実施例は、第１２図と同様に間接冷却方式を採
用し、超電導コイル１６と熱シールド板１７とを
冷却するものであるが、定常的な冷却系とは別
に、初期冷却用の冷却系をもつものである。初期
冷却用の冷却系３０，３１は、別のヘリウム冷凍
機３２にて冷却してもよいし、LN2，LHeを直接
流して初期冷却してもよい。 FIG. 4 shows another embodiment of the invention. The embodiment shown in this figure employs an indirect cooling method similar to that shown in FIG. 12 to cool the superconducting coil 16 and the heat shield plate 17. It has a cooling system. The cooling systems 30 and 31 for initial cooling may be cooled by a separate helium refrigerator 32, or may be initially cooled by directly flowing LN 2 and LHe.
以上説明した本発明の超電導装置、及びその冷
却方法によれば、ヘリウム容器、及び液体窒素容
器内の液体ヘリウム、及び液体窒素を冷却する冷
凍機を断熱真空容器の外筒に設置すると共に、前
記ヘリウム容器の内外筒、及び液体窒素容器の内
外筒のそれぞれの表面に、定常冷却時に前記冷凍
機から冷媒を通してヘリウム容器、及び液体窒素
容器を間接冷却する冷却用パイプを敷設し、か
つ、前記冷凍機で行う定常冷却の前に、前記ヘリ
ウム容器、及び液体窒素容器内に、初期冷却用冷
媒を注入して液体ヘリウム温度、及び液体窒素温
度まで予冷する注入口を該ヘリウム容器、及び液
体窒素容器の各々に設け、更に定常状態になつた
後に、前記ヘリウム容器、及び液体窒素容器中の
各冷媒を、前記各容器内より外部に排除させる手
段を備えている超電導装置、及び初期冷却時に
は、まずヘリウム容器、及び液体窒素容器に液体
窒素を注入して液体窒素温度まで予冷し、その
後、前記ヘリウム容器内をヘリウムガス雰囲気に
置換して液体ヘリウムを注入し液体ヘリウム温度
まで冷却し、前記ヘリウム容器、及び液体窒素容
器が、それぞれ液体ヘリウム温度、及び液体窒素
温度となり定常状態になつた後、前記ヘリウム容
器、及び液体窒素容器中の各冷媒を各容器内より
外部に排除すると共に、前記冷凍機を動かすこと
により生成される冷媒を、前記ヘリウム容器、及
び液体窒素容器の内外筒の表面に敷設されている
冷却用パイプを通し、これら各容器を間接冷却し
て液体ヘリウム温度、及び液体窒素温度に維持
し、定常冷却を行う超電導装置の冷却方法とした
ものであるから、定常冷却時には冷凍機からの冷
媒を冷却用パイプを通してヘリウム容器、及び液
体窒素容器を間接冷却すると共に、定常状態にな
つた後は、ヘリウム容器、及び液体窒素容器中の
各冷媒を各容器内より外部に排除し、かつ、初期
冷却時にはヘリウム容器、及び液体窒素容器を液
体窒素温度まで予冷し、その後、ヘリウム容器を
ヘリウム温度まで冷却できるので、定常冷却時に
は液体ヘリウム、液体窒素等の蒸発による圧力上
昇，冷媒吹き出しという危険性がなく、かつ、初
期冷却を迅速に行えるので冷却日数が大幅に低減
でき、此種超電導装置に採用する場合には非常に
有効である。
According to the superconducting device and the cooling method thereof of the present invention described above, a helium container and a refrigerator for cooling the liquid helium and liquid nitrogen in the liquid nitrogen container are installed in the outer cylinder of the insulated vacuum container, and Cooling pipes are laid on the surfaces of the inner and outer cylinders of the helium container and the inner and outer cylinders of the liquid nitrogen container to indirectly cool the helium container and the liquid nitrogen container through refrigerant from the refrigerator during steady cooling, and Before the steady cooling performed in the machine, an injection port for injecting an initial cooling refrigerant into the helium container and the liquid nitrogen container to pre-cool it to the liquid helium temperature and the liquid nitrogen temperature is connected to the helium container and the liquid nitrogen container. The superconducting device is provided with a means for discharging each refrigerant in the helium container and the liquid nitrogen container to the outside from the inside of each container after reaching a steady state, and at the time of initial cooling. Liquid nitrogen is injected into a helium container and a liquid nitrogen container to pre-cool it to the liquid nitrogen temperature, then the inside of the helium container is replaced with a helium gas atmosphere, liquid helium is injected and cooled to the liquid helium temperature, and the helium container is cooled to the liquid helium temperature. , and the liquid nitrogen container reach the liquid helium temperature and the liquid nitrogen temperature, respectively, and reach a steady state. Then, each refrigerant in the helium container and the liquid nitrogen container is expelled from the inside of each container, and the refrigerating machine The refrigerant generated by moving the helium container and the liquid nitrogen container are indirectly cooled through cooling pipes laid on the surfaces of the inner and outer cylinders of the helium container and the liquid nitrogen container to reach the liquid helium temperature and the liquid nitrogen temperature. This is a cooling method for superconducting equipment that maintains the temperature at a constant temperature and performs steady cooling. Therefore, during steady cooling, the refrigerant from the refrigerator is passed through the cooling pipe to indirectly cool the helium container and liquid nitrogen container, and at the same time, a steady state is achieved. After that, each refrigerant in the helium container and liquid nitrogen container is expelled from inside each container to the outside, and at the time of initial cooling, the helium container and liquid nitrogen container are precooled to the liquid nitrogen temperature, and then the helium container is Since it can be cooled to the helium temperature, there is no risk of pressure increase due to evaporation of liquid helium, liquid nitrogen, etc. or refrigerant blowing out during steady cooling, and initial cooling can be performed quickly, greatly reducing the number of cooling days. It is very effective when used in equipment.
第１図は本発明の超電導装置の一実施例を示す
概略断面図、第２図はそれに採用されるヘリウム
容器の斜視図、第３図は第２図の横断面図、第４
図は本発明の超電導装置の他の実施例を示す概略
断面図、第５図はNMR−CT用超電導装置を一
部断面して示す正面図、第６図は第５図の側面
図、第７図はオープン方式の冷却例を示すクライ
オスタツトの概略断面図、第８図はセミクローズ
ド方式の冷却例を示す第７図に相当する図、第９
図はクローズド方式の冷却例を示す第７図に相当
する図、第１０図はクローズド冷却方式を採用し
ている従来の超電導装置を示す概略断面図、第１
１図は間接冷却方式で被冷却体を冷却する例を示
す図、第１２図は間接冷却方式を採用している従
来の超電導装置の概略断面図、第１３図は動作温
度における冷凍能力の関係を表した特性図、第１
４図は冷却日数と温度の関係を表した特性図であ
る。
１…ヘリウム容器、２…液体窒素容器、３…断
熱真空容器、４…サービスポート、５，７…ヘリ
ウム冷凍機、１６…超電導コイル、１７…熱シー
ルド板、１８，１９…冷却用パイプ、２７…液体
ヘリウム注入口、２８…液体窒素注入口。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of the superconducting device of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of a helium container adopted therein, FIG. 3 is a cross-sectional view of FIG. 2, and FIG.
The figure is a schematic sectional view showing another embodiment of the superconducting device of the present invention, FIG. 5 is a partially sectional front view of the superconducting device for NMR-CT, and FIG. 6 is a side view of FIG. Figure 7 is a schematic cross-sectional view of a cryostat showing an example of open type cooling, Figure 8 is a diagram corresponding to Figure 7 showing an example of semi-closed type cooling, and Figure 9 is a diagram corresponding to Figure 7 showing an example of semi-closed type cooling.
The figure corresponds to FIG. 7 showing an example of cooling using a closed cooling method.
Figure 1 is a diagram showing an example of cooling the object to be cooled using the indirect cooling method, Figure 12 is a schematic cross-sectional view of a conventional superconducting device that uses the indirect cooling method, and Figure 13 is the relationship between refrigeration capacity at operating temperature. Characteristic diagram showing , 1st
Figure 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of cooling days and temperature. 1... Helium container, 2... Liquid nitrogen container, 3... Insulated vacuum container, 4... Service port, 5, 7... Helium refrigerator, 16... Superconducting coil, 17... Heat shield plate, 18, 19... Cooling pipe, 27 ...liquid helium inlet, 28...liquid nitrogen inlet.
Claims (1)
て浸漬しているヘリウム容器と、該ヘリウム容器
への熱侵入を低減するためにその周囲に設けられ
た液体窒素容器と、該液体窒素容器と前記ヘリウ
ム容器をその周囲を真空に保持して収納する断熱
真空容器と、前記ヘリウム容器、及び液体窒素容
器内の液体ヘリウム、及び液体窒素を冷却する冷
凍機とを備えた超電導装置において、前記冷凍機
を断熱真空容器の外筒に設置すると共に、前記ヘ
リウム容器の内外筒、及び液体窒素容器の内外筒
のそれぞれの表面に、定常冷却時に前記冷凍機か
ら冷媒を通してヘリウム容器、及び液体窒素容器
を間接冷却する冷却用パイプを敷設し、かつ、前
記冷凍機で行う定常冷却の前に、前記ヘリウム容
器、及び液体窒素容器内に、初期冷却用冷媒を注
入して液体ヘリウム温度、及び液体窒素温度まで
予冷する注入口を該ヘリウム容器、及び液体窒素
容器の各々に設け、更に定常状態になつた後に、
前記ヘリウム容器、及び液体窒素容器中の各冷媒
を、前記各容器内より外部に排除させる手段を備
えていることを特徴とする超電導装置。 ２ 内部に収納されている超電導コイルを浸漬し
ているヘリウム容器内の液体ヘリウムと、前記ヘ
リウム容器への熱侵入を低減するためにその周囲
に設けられている液体窒素容器内の液体窒素とを
冷凍機で冷却する超電導装置の冷却方法におい
て、初期冷却時には、まず、前記ヘリウム容器、
及び液体窒素容器に液体窒素を注入して液体窒素
温度まで予冷し、その後、前記ヘリウム容器内を
ヘリウムガス雰囲気に置換して液体ヘリウムを注
入し液体ヘリウム温度まで冷却し、前記ヘリウム
容器、及び液体窒素容器が、それぞれ液体ヘリウ
ム温度、及び液体窒素温度となり定常状態になつ
た後、前記ヘリウム容器、及び液体窒素容器中の
各冷媒を各容器内より外部に排除すると共に、前
記冷凍機を動かすことにより生成される冷媒を、
前記ヘリウム容器、及び液体窒素容器の内外筒の
表面に敷設されている冷却用パイプを通し、これ
ら各容器を間接冷却して液体ヘリウム温度、及び
液体窒素温度に維持し、定常冷却を行うことを特
徴とする超電導装置の冷却方法。[Claims] 1. A helium container containing a superconducting coil and immersed in liquid helium, a liquid nitrogen container provided around the helium container to reduce heat intrusion into the helium container, and A superconducting device comprising: a liquid nitrogen container; an insulated vacuum container that stores the helium container while maintaining a vacuum around the helium container; and a refrigerator that cools the helium container, the liquid helium in the liquid nitrogen container, and the liquid nitrogen. The refrigerator is installed in an outer cylinder of an insulated vacuum container, and a refrigerant is passed from the refrigerator to each surface of the inner and outer cylinders of the helium container and the inner and outer cylinders of the liquid nitrogen container during steady cooling. A cooling pipe is installed to indirectly cool the liquid nitrogen container, and before steady cooling is performed by the refrigerator, an initial cooling refrigerant is injected into the helium container and the liquid nitrogen container to adjust the liquid helium temperature. The helium container and the liquid nitrogen container are each provided with an inlet for pre-cooling to the liquid nitrogen temperature, and after reaching a steady state,
A superconducting device characterized by comprising means for expelling each refrigerant in the helium container and the liquid nitrogen container to the outside from inside each of the containers. 2. Liquid helium in a helium container in which the superconducting coils housed therein are immersed, and liquid nitrogen in a liquid nitrogen container provided around the helium container to reduce heat intrusion into the helium container. In a method for cooling a superconducting device using a refrigerator, during initial cooling, the helium container,
Liquid nitrogen is injected into the liquid nitrogen container and precooled to the liquid nitrogen temperature, and then the inside of the helium container is replaced with a helium gas atmosphere, liquid helium is injected and cooled to the liquid helium temperature, and the helium container and the liquid After the nitrogen containers reach a steady state at a temperature of liquid helium and liquid nitrogen, respectively, expelling each refrigerant in the helium container and the liquid nitrogen container from inside each container to the outside, and operating the refrigerator. The refrigerant produced by
Through cooling pipes laid on the surfaces of the inner and outer cylinders of the helium container and the liquid nitrogen container, each container is indirectly cooled to maintain the liquid helium temperature and the liquid nitrogen temperature, thereby performing steady cooling. Characteristic cooling method for superconducting equipment.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23691284A JPS61116250A (en) | 1984-11-09 | 1984-11-09 | Superconducting device and its cooling method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23691284A JPS61116250A (en) | 1984-11-09 | 1984-11-09 | Superconducting device and its cooling method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61116250A JPS61116250A (en) | 1986-06-03 |
| JPH0445740B2 true JPH0445740B2 (en) | 1992-07-27 |
Family
ID=17007594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23691284A Granted JPS61116250A (en) | 1984-11-09 | 1984-11-09 | Superconducting device and its cooling method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61116250A (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0244139U (en) * | 1988-09-21 | 1990-03-27 | ||
| US5293750A (en) * | 1991-11-27 | 1994-03-15 | Osaka Gas Company Limited | Control system for liquefied gas container |
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| US8676282B2 (en) * | 2010-10-29 | 2014-03-18 | General Electric Company | Superconducting magnet coil support with cooling and method for coil-cooling |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5932758A (en) * | 1982-08-16 | 1984-02-22 | 株式会社日立製作所 | Cryostat with refrigerator |
-
1984
- 1984-11-09 JP JP23691284A patent/JPS61116250A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61116250A (en) | 1986-06-03 |
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