特開 2023-156879 極低温冷却システム、超電導装置、及び極低温冷却システムの運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023156879

(43)【公開日】2023-10-25

(54)【発明の名称】極低温冷却システム、超電導装置、及び極低温冷却システムの運転方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/14 20060101AFI20231018BHJP

【ＦＩ】

F25B9/14 530A

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022066510

(22)【出願日】2022-04-13

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 政彦

(72)【発明者】

【氏名】栗山 透

(72)【発明者】

【氏名】高木 紀和

(72)【発明者】

【氏名】上野 航生

(57)【要約】

【課題】冷却源と被冷却物との温度差を低減して冷却源の冷凍能力を向上させることができること。
【解決手段】極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５、２段冷却ステージ１６Ａ、１６Ｂ、超電導コイル１及び低温ファン２２を収容する真空容器１４と、圧縮機１７を除く主要部が真空容器内に配置され、圧縮機により圧縮されたガスを、極低温冷凍機の１段冷却ステージ１５及び２段冷却ステージ１６Ａで冷却して超電導コイルを冷却するために循環させる第１の循環系１１と、真空容器内に配置され、低温ファン２２で圧送されてガスを、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ｂで冷却して超電導コイルを冷却するために循環させる第２の循環系１２と、を有し、第１の循環系１１と第２の循環系１２とが、超電導コイル１の上流側の合流点Ｍで合流し、且つ超電導コイルの下流側の分岐点Ｎで分岐して接続され構成されたものである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却源の冷却部、被冷却物及びファンを収容する真空容器と、
圧縮機を除く主要部が前記真空容器内に配置され、前記圧縮機により圧縮されたガスを、前記冷却源の前記冷却部で冷却して前記被冷却物を冷却するために循環させる第１の循環系と、
前記真空容器内に配置され、前記ファンで圧送されたガスを、前記冷却源の前記冷却部で冷却して前記被冷却物を冷却するために循環させる第２の循環系と、を有し、
前記第１の循環系と前記第２の循環系とが、前記被冷却物の上流側で合流し、且つ前記被冷却物の下流側で分岐して接続され構成されたことを特徴とする極低温冷却システム。

【請求項2】

前記第１の循環系は、真空容器外に配置された圧縮機と、冷却部としての冷却ステージを備える冷却源としての極低温冷凍機と、被冷却物を冷却したガスにより前記冷却ステージへ流入する前のガスを熱交換して冷却する熱交換器と、前記真空容器外に配置されると共に前記圧縮機の下流側に設けられてガスの流量を調整する第１のバルブと、を有して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。

【請求項3】

前記第２の循環系は、ファンと、冷却部としての冷却ステージを備える冷却源としての極低温冷凍機と、前記ファンと共に真空容器内に配置され且つ前記ファンの下流側に設けられてガスの流れを制御する第２のバルブと、を有して構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却システム。

【請求項4】

前記第２のバルブは、第２の循環系の非運転時で且つ第１の循環系の運転時に、前記第１の循環系を流れるガスが前記第２の循環系に流入することを阻止する逆止弁であることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷却システム。

【請求項5】

前記極低温冷凍機は、１段冷却ステージ及び２段冷却ステージを備え、前記熱交換器は、前記１段冷却ステージへ流入する前のガスを熱交換して冷却する第1熱交換器と、前記１段冷却ステージから流出して前記２段冷却ステージへ流入する前のガスを熱交換して冷却する第２熱交換器とを備え、
前記第１の循環系は、前記１段冷却ステージから流出したガスを、前記第２熱交換器をバイパスして前記２段冷却ステージへ導くと共にバイパス弁を備えたバイパスラインを更に有することを特徴とする請求項２に記載の極低温冷却システム。

【請求項6】

前記第１の循環系は、ガスを膨張して液化させるＪＴバルブを備えたＪＴ冷却系を更に有して構成されたことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷却システム。

【請求項7】

前記第１の循環系と前記第２の循環系は、被冷却物の上流に配置された冷却源の冷却部の上流側で合流し、且つ前記被冷却物の下流側で分岐して接続され構成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。

【請求項8】

前記冷却源が複数存在し、少なくとも１つの前記冷却源が第１の循環系のみの構成要素として構成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。

【請求項9】

前記被冷却物が超電導コイルである請求項１に記載の極低温冷却システムを有して構成されたことを特徴とする超電導装置。

【請求項10】

冷却源の冷却部、被冷却物及びファンを収容する真空容器と、
圧縮機を除く主要部が前記真空容器内に配置され、前記圧縮機により圧縮されたガスを、前記冷却源の前記冷却部で冷却して前記被冷却物を冷却するために循環させる第１の循環系と、
前記真空容器内に配置され、前記ファンで圧送されたガスを、前記冷却源の前記冷却部で冷却して前記被冷却物を冷却するために循環させる第２の循環系と、を準備し、
前記第１の循環系と前記第２の循環系とを、前記被冷却物の運転モードに応じて択一に切り換えて運転させることを特徴とする極低温冷却システムの運転方法。

【請求項11】

前記被冷却物を室温から所定温度まで冷却する予冷モード、または前記被冷却物としての超電導コイルの磁場を変化させる励消磁モードでは、第１の循環系を運転させ、
所定温度に冷却された前記被冷却物の温度を保持する定常冷却モード、または前記超電導コイルの磁場を一定に保持する定常モードでは、第２の循環系を運転させることを特徴とする請求項１０に記載の極低温冷却システムの運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、極低温冷却システム、被冷却物が超電導コイルである上記極低温冷却システムを備えた超電導装置、及び極低温冷却システムの運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

超電導磁石（超電導コイル）は極低温に冷却される必要があり、当初、液体ヘリウムで冷却する方法が一般的であった。その後、液体ヘリウム温度まで冷却可能な小型の極低温冷凍機の開発により、この極低温冷凍機を用いて伝導冷却により超電導コイルを冷却する方式が開発されている。この方式は、専門知識が必要な液体ヘリウムを取扱う必要が無いこと、近年のヘリウム資源の枯渇による液体ヘリウムの入手困難性等の影響によって、その適用範囲が着実に広がっている。この極低温冷凍機による伝導冷却は、すでに小型の超電導装置では普及しており、今後、大型の超電導装置でも極低温冷凍機による冷却方式が主流になることが予想される。

【0003】

小型の超電導装置の極低温冷凍機による冷却では、極低温冷凍機と超電導コイルとの間に良熱伝導体を用いる伝導冷却方式が一般的である。しかし、大型の超電導装置では熱負荷が大きく、伝熱距離も長くなるため、伝導冷却方式では極低温冷凍機と超電導装置の間の温度差が大きくなってしまう問題がある。そこで、極低温冷凍機で冷却したガスを循環させて超電導装置の超電導コイルを冷却するガス循環冷却方式が有利になる。このガス循環冷却方式では、極低温冷凍機と超電導装置とを離しても、これらの両者の温度差が変化しない利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－２１１７９５号公報

【特許文献2】特開２００６－１８９２７２号公報

【特許文献3】特開２０１０－１９６９０９号公報

【特許文献4】特開２００９－２４６２３１号公報

【特許文献5】特開平６－１２３５０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一般に、ガス循環冷却方式の極低温冷却システムとしては、図６（Ａ）に示す極低温冷却システム１００と、図６（Ｂ）に示す極低温冷却システム１１０とがある。これらの極低温冷却システム１００及び１１０は、冷却源として、１段冷却ステージ１０１及び２段冷却ステージ１０２を備えた極低温冷凍機１０３を有し、真空容器１０４内に収容された被冷却物としての超電導コイル１０５を冷却する。

【0006】

極低温冷却システム１００では、ループ形状の冷却配管１０６に圧縮機１０７、第１熱交換器１０８、１段冷却ステージ１０１、第２熱交換器１０９、２段冷却ステージ１０２、超電導コイル１０５、第２熱交換器１０９、第１熱交換器１０８及び圧縮機１０７が順次配設される。このうちの圧縮機１０７が真空容器１０４外に、極低温冷凍機１０３の１段冷却ステージ１０１及び２段冷却ステージ１０２、第１熱交換器１０８並びに第２熱交換器１０９が、超電導コイル１０５と共に真空容器１０４内にそれぞれ配置される。圧縮機１０７により圧縮されて吐出された冷媒のガスが、第１熱交換器１０８、１段冷却ステージ１０１、第２熱交換器１０９、２段冷却ステージ１０２にて順次冷却され、超電導コイル１０５に導かれてこの超電導コイル１０５を、極低温（例えば４Ｋ程度）に冷却する。

【0007】

極低温冷却システム１１０では、ループ形状に形成された冷却配管１１１に低温ファン１１２、２段冷却ステージ１０２、超電導コイル１０５及び低温ファン１１２が順次配設される。これらの低温ファン１１２、２段冷却ステージ１０２及び超電導コイル１０５は真空容器１０４内に配置される。低温ファン１１２により圧送された冷媒のガスが、２段冷却ステージ１０２にて冷却されて超電導コイル１０５に導かれ、この超電導コイル１０５を極低温（例えば４Ｋ程度）に冷却する。

【0008】

上述のガス循環冷却方式では、ガスが被冷却物（超電導コイル１０５）から熱を受け取ることで温度が上昇する課題がある。ガスにおける超電導コイル１０５の入口温度と出口温度の差は、伝熱量に比例しガス流量に反比例する。このためガス流量を増やすほど、超電導コイル１０５によるガスの温度上昇が小さくなり、ひいては、極低温冷凍機１０３と超電導コイル１０５との温度差が小さくなるので、ガス流量が多いほど良くなりそうである。しかしながら、ガス流量が多すぎる場合にも課題がある。

【0009】

真空容器１０４外の室温の圧縮機１０７を用いる極低温冷却システム１００（図６（Ａ））では、ガスを真空容器１０４の外部（室温部）と内部（低温部）との間で循環させる必要があり、圧縮機１０７から低温部へ高温のガスを送り込むことになる。第１熱交換器１０８の効率が１００％であれば、低温部からの戻りガスにより室温部からのガスを冷却することができるが、実在の第１熱交換器１０８は例えば効率が９６％程度であり、４％分の熱が低温部に入る。これを熱交換器損失と呼ぶ。この熱交換器損失はガスの流量に比例するため、ガスの流量を増やすと熱交換器損失が増加し、極低温冷凍機１０３への熱負荷となって実効的な冷凍能力が目減りしてしまう。

【0010】

一方、低温ファン１１２を用いる極低温冷却システム１１０（図６（Ｂ））では、上記熱交換器損失が無いため、一見問題なさそうに見える。しかし、低温ファン１１２の特性を見ると、低温ファン１１２の入口と出口の圧力差を大きく設定することができない課題がある。冷却配管１１１の圧力損失と低温ファン１１２の入口と出口の圧力差とが等しくなる条件でガス流量が決まるので、流せるガスの流量には上限がある。もちろん、低温ファン１１２の回転数を上げたり、低温ファン１１２を大型にすることで流量を増大させることは可能であるが、その場合には低温ファン１１２からの熱侵入量やガス圧送時の発熱等によって極低温冷凍機１０３への熱負荷が増え、実効的な冷凍能力が目減りしてしまう。

【0011】

上述のように、極低温冷却システム１００と１１０とを比較した場合、熱交換器損失が存在しない極低温冷却システム１１０の方が高性能とされている。しかしながら、極低温冷却システム１１０では、低温ファン１１２の入口と出口の圧力差が小さいためにガス流量に上限があり、また、極低温冷却システム１００では、ガス流量の増加に伴う熱交換器損失の増大によって極低温冷凍機１０３と超電導コイル１０５との温度差に下限が生ずる課題がある。

【0012】

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、冷却源と被冷却物との温度差を低減して冷却源の冷凍能力を向上させることができる極低温冷却システム、超電導装置、及び極低温冷却システムの運転方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の実施形態における極低温冷却システムは、冷却源の冷却部、被冷却物及びファンを収容する真空容器と、圧縮機を除く主要部が前記真空容器内に配置され、前記圧縮機により圧縮されたガスを、前記冷却源の前記冷却部で冷却して前記被冷却物を冷却するために循環させる第１の循環系と、前記真空容器内に配置され、前記ファンで圧送されたガスを、前記冷却源の前記冷却部で冷却して前記被冷却物を冷却するために循環させる第２の循環系と、を有し、前記第１の循環系と前記第２の循環系とが、前記被冷却物の上流側で合流し、且つ前記被冷却物の下流側で分岐して接続され構成されたことを特徴とするものである。

【0014】

本発明の実施形態における超電導装置は、被冷却物が超電導コイルである前記実施形態に記載の極低温冷却システムを有して構成されたことを特徴とするものである。

【0015】

本発明の実施形態における極低温冷却システムの運転方法は、冷却源の冷却部、被冷却物及びファンを収容する真空容器と、圧縮機を除く主要部が前記真空容器内に配置され、前記圧縮機により圧縮されたガスを、前記冷却源の前記冷却部で冷却して前記被冷却物を冷却するために循環させる第１の循環系と、前記真空容器内に配置され、前記ファンで圧送されたガスを、前記冷却源の前記冷却部で冷却して前記被冷却物を冷却するために循環させる第２の循環系と、を準備し、前記第１の循環系と前記第２の循環系とを、前記被冷却物の運転モードに応じて択一に切り換えて運転させることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0016】

本発明の実施形態によれば、冷却源と被冷却物との温度差を低減して冷却源の冷凍能力を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図。

【図2】第２実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図。

【図3】第３実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図。

【図4】第４実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図。

【図5】第５実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図。

【図6】従来の極低温冷却システムを示し、（Ａ）がその一例を、（Ｂ）が他の例をそれぞれ示す管路図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１）
図１は、第１実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図である。この図１に示す極低温冷却システム１０は、ＭＲＩ（磁気共鳴画像診断装置）などの超電導装置を構成する超電導コイル１を被冷却物とし、この超電導コイル１をガス循環冷却方式により極低温（例えば４Ｋ程度）に冷却するものであり、冷却源としての極低温冷凍機１３を含む第１の循環系１１と、上記極低温冷凍機１３を含む第２の循環系１２と、真空容器１４とを有して構成される。

【0019】

極低温冷凍機１３は、例えばＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎ）冷凍機であり、冷却部としての１段冷却ステージ１５及び２段冷却ステージ１６Ａ、１６Ｂを有する。この極低温冷凍機１３は、真空容器１４に設置され、１段冷却ステージ１５及び２段冷却ステージ１６Ａ、１６Ｂが真空容器１４内に収容される。極低温冷凍機１３は、ＧＭ冷凍機に限らず、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機であってもよい。また、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ａと１６Ｂは、２段冷却ステージ１６Ａが１段冷却ステージ１５側に位置づけられて直列に配置されても、２段冷却ステージ１６Ｂが１段冷却ステージ１５側に位置づけられて直列に配置されてもよく、また２段冷却ステージ１６Ａ、１６Ｂの両者が並列に配置されてもよい。更に、２段冷却ステージ１６Ａと１６Ｂは一体化されてもよい。

【0020】

第１の循環系１１は、圧縮機１７、冷却配管１８、極低温冷凍機１３、第１熱交換器１９、第２熱交換器２０、及び第１のバルブとしての室温バルブ２１を有して構成される。

【0021】

冷却配管１８はループ形状に形成され、この冷却配管１８に、圧縮機１７、室温バルブ２１、第１熱交換器１９、極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５、第２熱交換器２０、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ａ、超電導コイル１、第２熱交換器２０、第１熱交換器１９、圧縮機１７が順次配設される。このうちの圧縮機１７及び室温バルブ２１が真空容器１４外に配置され、第１の循環系１１の他の主要部である極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５及び２段冷却ステージ１６Ａ、第１熱交換器１９並びに第２熱交換器２０が、超電導コイル１と共に真空容器１４内に配置される。

【0022】

圧縮機１７は、ヘリウムガスなどの冷媒のガスを圧縮して吐出し、冷却配管１８内で循環させるものである。この圧縮機１７から吐出されたガスは、第１熱交換器１９、極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５、第２熱交換器２０、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ａに順次供給されて段階的に冷却され、超電導コイル１に導かれてこの超電導コイル１を冷却した後、第２熱交換器２０、第１熱交換器１９を順次経て圧縮機１７に戻されて循環する。

【0023】

第１熱交換器１９、第２熱交換器２０のそれぞれは、超電導コイル１を冷却した後のガスにより、極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５、２段冷却ステージ１６Ａのそれぞれに流入する前のガスを熱交換により冷却するものである。つまり、第２熱交換器２０は、極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５から流出して２段冷却ステージ１６Ａに流入する前のガスを、超電導コイル１を冷却した後のガスにより熱交換して冷却する。また、第１熱交換器１９は、圧縮機１７から吐出されて極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５に流入する前のガスを、超電導コイル１を冷却し更に第２熱交換器２０により熱交換した後のガスにより熱交換して冷却する。

【0024】

室温バルブ２１は、圧縮機１７の下流側で且つ第１熱交換器１９の上流側における真空容器１４外の室温域における冷却配管１８に配設され、冷却配管１８内を流れるガスの流量を調整する。更に、この室温バルブ２１は、極低温冷却システム１０の運転時には第２の循環系１２における後述の低温バルブ２４と連動して開閉し、いずれか一方のバルブのみが開弁動作する。

【0025】

第２の循環系１２は、低温ファン２２、冷却配管２３、極低温冷凍機１３、及び第２のバルブとしての低温バルブ２４を有して構成される。冷却配管２３はループ形状に形成され、この冷却配管２３に低温ファン２２、低温バルブ２４、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ｂ、超電導コイル１、低温ファン２２が順次配設される。この第２の循環系１２を構成する低温ファン２２、冷却配管２３、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ｂ及び低温バルブ２４は、超電導コイル１と共に真空容器１４内に配設される。

【0026】

低温ファン２２は、ヘリウムガス等の冷媒のガスを圧送して、冷却配管２３内で循環させるものである。この低温ファン２２から圧送されたガスは、低温バルブ２４を経て極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ｂに供給されて冷却され、超電導コイル１に導かれてこの超電導コイル１を極低温（４Ｋ程度）に冷却した後、低温ファン２２に戻されて循環する。

【0027】

低温バルブ２４は、低温ファン２２の下流側で且つ極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ｂの上流側における冷却配管２３に配設され、この冷却配管２３を流れるガスの流れを制御する例えば開閉弁である。また、この低温バルブ２４は、後述の第２の循環系１２の非運転時で且つ第１の循環系１１の運転時に、第１の循環系１１内を流れるガスが第２の循環系１２に不必要に流入することを阻止する逆止弁であってもよい。

【0028】

上述のように構成された第１の循環系１１及び第２の循環系１２では、第１の循環系１１の冷却配管１８と第２の循環系１２の冷却配管２３は、超電導コイル１の上流側の合流点Ｍで合流し、超電導コイル１の下流側の分岐点Ｎで分岐して接続される。なお、冷却配管１８と２３は、超電導コイル１に対しそれぞれ独立して接続されてもよい。

【0029】

ところで、極低温冷却システム１０では、超電導コイル１の運転モード、例えば超電導コイル１を室温から所定の極低温（例えば４Ｋ程度）まで冷却する予冷モードと、所定の極低温に冷却された超電導コイル１の温度を保持する定常冷却モードとに応じて、第１の循環系１１と第２の循環系１２とが択一に切り換えられて運転される。

【0030】

つまり、超電導コイル１の予冷モードでは、第１の循環系１１の室温バルブ２１が開動作され、第２の循環系１２の低温バルブ２４が閉動作されることで、第１の循環系１１のみが運転される。また、超電導コイル１の定常冷却モードでは、第１の循環系１１の室温バルブ２１が閉動作され、第２の循環系１２の低温バルブ２４が開動作されることで、第２の循環系１２のみが運転される。

【0031】

超電導コイル１の予冷モードでは、超電導コイル１の温度が室温に近く、仮に第２の循環系１２を運転した場合、この第２の循環系１２内を流れるガスの温度が高いため、冷却配管２３の圧力損失が大きく、第２の循環系１２内のガスの流量が少なくなってしまう。これに対し、第１の循環系１１では、予冷モードにおいて超電導コイル１の温度が室温に近いので、第１熱交換器１９及び第２熱交換器２０の熱交換器損失が減少する。このため、冷却配管１８内を流れるガスの流量を増加させることが可能になるので、予冷モードでは第１の循環系１１の運転が選択される。

【0032】

超電導コイル１の定常冷却モードでは、超電導コイル１の温度と室温との温度差が大きくなるので、仮に第１の循環系１１を運転した場合、第１熱交換器１９及び第２熱交換器２０の熱交換器損失が増大して、第１の循環系１１内のガス流量を増加させることができない。これに対し、第２の循環系１２では、定常冷却モードにおいて超電導コイル１が極低温状態にあり、冷却配管２３を流れるガスの温度が低いので冷却配管２３の圧力損失が小さい。このため、第２の循環系１２内を流れるガスの流量を増加させることが可能になるので、熱交換器損失も存在しない第２の循環系１２の運転が定常冷却モードで選択される。

【0033】

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）超電導コイル１の予冷モードと定常冷却モードとで第１の循環系１１と第２の循環系１２とを択一に使い分け、予冷モードでは第１の循環系１１を、定常冷却モードでは第２の循環系１２をそれぞれ運転させる。これにより、超電導コイル１の各運転モード（予冷モード、定常冷却モード等）において各循環系（第１の循環系１１、第２の循環系１２）を流れるガス流量を最大化できるので、極低温冷凍機１３と超電導コイル１との温度差を低減できる。これにより、極低温冷凍機１３の冷凍能力を向上させることができ、超電導コイル１の冷却性能を高めることができる。

【0034】

［Ｂ］第２実施形態（図２）
図２は、第２実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態とを同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0035】

本第２実施形態の極低温冷却システム２５が第１実施形態と異なる点は、第１の循環系２６が、極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５から流出したガスを、第２熱交換器２０をバイパスして極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ａに導くと共にバイパス弁２８を備えたバイパスライン２７を更に有して構成された点である。

【0036】

一般に、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ａ、１６Ｂの温度は１段冷却ステージ１５の温度よりも低いため、超電導コイル１の定常冷却モードでは、第２の循環系１２の運転時に、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ｂの冷凍能力により超電導コイル１が冷却される。これに対し、超電導コイル１の予冷モードでは、超電導コイル１の温度が室温に近いため極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５でも十分であり、しかも冷凍能力は１段冷却ステージ１５が２段冷却ステージ１６Ａ、１６Ｂの数倍高い。従って、超電導コイル１の予冷モードでは第１の循環系１１が運転されて、極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５及び２段冷却ステージ１６Ａにより超電導コイル１が冷却される。

【0037】

特に、予冷モードの初期には超電導コイル１が室温程度であるため、この超電導コイル１から第２熱交換器２０に流入するガス温度が高くなるので、バイパス弁２８が開動作される。これにより、極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５から流出したガスは、バイパスライン２７を流れて第２熱交換器２０をバイパスし、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ａに直接流入する。このため、２段冷却ステージ１６Ａに流入するガスは、第２熱交換器２０の熱交換による温度上昇が防止される。

【0038】

以上のように構成されたことから、本第２実施形態においても、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（２）を奏する。

【0039】

（２）第１の循環系１１を運転させる超電導コイル１の冷却モードでは、その初期に超電導コイル１の温度が室温程度であるので、バイパス弁２８が開動作されて、極低温冷凍機１３の１段冷却ステージ１５から流出したガスは、第２熱交換器２０をバイパスして、バイパスライン２７により極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ａに直接流入する。これにより、２段冷却ステージ１６Ａに流入するガスは、第２熱交換器２０による温度上昇が防止されて効率的に冷却され、この結果、第１の循環系１１内を流れるガスにより超電導コイル１を効果的に冷却することができる。

【0040】

［Ｃ］第３実施形態（図３）
図３は、第３実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図である。この第３実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0041】

本第３実施形態の極低温冷却システム３０が第１実施形態と異なる点は、第１の循環系３１が、第３熱交換器３３と、ガスを膨張して液化させるＪＴバルブ（ＪＴ：Ｊｏｕｌｅ－Ｔｈｏｍｓｏｎ）３２とを備えたＪＴ冷却系３４を更に有して構成された点である。これにより、第１の循環系３１はＧＭ／ＪＴ冷凍機と同一の構成になる。上述の第３熱交換器３３、ＪＴバルブ３２は、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ａの下流側で且つ合流点Ｍの上流側の冷却配管１８に、上流側から順次配設される。

【0042】

ここで、第１の循環系３１としてのＧＭ／ＪＴ冷凍機と極低温冷凍機１３のＧＭ冷凍機とを比較する。ＧＭ／ＪＴ冷凍機は、ＪＴバルブ３２によりガスを膨張して液化させることで、冷凍能力がＧＭ冷凍機（極低温冷凍機１３）よりも３倍以上に増加する。また、ＧＭ／ＪＴ冷凍機におけるＪＴ冷却系３４の圧縮機１７の所要動力は、ＧＭ冷凍機（極低温冷凍機１３）を含む第２の循環系１２の低温ファン２２に比べて格段に大きい。即ち、ＧＭ／ＪＴ冷凍機としての第１の循環系３１では冷凍能力及び所要動力が大きく、ＧＭ冷凍機（極低温冷凍機１３）を含む第２の循環系１２では冷凍能力及び所要動力が小さい。

【0043】

一方、超電導コイル１の運転モードについて考察する。超電導コイル１の運転モードは、前述の予冷モード及び定常冷却モードのほかに、磁場を変化させる励消磁モードと、磁場を一定に保持する定常モードとがある。励消磁モードでは、定常モードに比べて超電導コイル１に多量の熱が発生する。

【0044】

そこで、極低温冷却システム３０は、励消磁モードまたは予冷モードでは、低温バルブ２４を閉動作し、且つ室温バルブ２１及びＪＴバルブ３２を開動作して、冷凍能力の大きな第１の循環系３１（ＧＭ／ＪＴ冷凍機）を運転して超電導コイル１を冷却する。また、極低温冷却システム３０は、定常モードまたは定常冷却モードでは、室温バルブ２１及びＪＴバルブ３２を閉動作し且つ低温バルブ２４を開動作して、所要動力（即ち消費電力）の小さな第２の循環系１２を運転して超電導コイル１を冷却する。

【0045】

以上のように構成されたことから、本第３実施形態においても、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（３）を奏する。

【0046】

（３）極低温冷却システム３０では、励消磁モードまたは予冷モードにおいて、冷凍能力の大きな第１の循環系（ＧＭ／ＪＴ冷凍機）を運転し、定常モードまたは定常冷却モードにおいて、所要動力の小さな第２の循環系１２を運転する。これにより、極低温冷却システム３０は、超電導コイル１の各運転モードにおいて、必要な冷凍能力を確保しつつ、所要動力（即ち消費電力）を全体として低下させることができる。

【0047】

［Ｄ］第４実施形態（図４）
図４は、第４実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図である。この第４実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0048】

本第４実施形態の極低温冷却システム４０が第１実施形態と異なる点は、極低温冷凍機１３が単一の２段冷却ステージ１６を有し、第１の循環系１１の冷却配管１８と第２の循環系１２の冷却配管２３とが、超電導コイル１の上流に配置された上記２段冷却ステージ１６の上流側の合流点Ｍで合流し、超電導コイル１の下流側の分岐点Ｎで分岐して接続された点である。

【0049】

上述のように構成されたことから、本第４実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。

【0050】

（４）第１の循環系１１の冷却配管１８と第２の循環系１２の冷却配管２３とが、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６の上流側の合流点Ｍで合流して接続されたことから、極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６を共通化でき、極低温冷凍機１３をコンパクトな構造に構成することができる。

【0051】

［Ｅ］第５実施形態（図５）
図５は、第５実施形態に係る極低温冷却システムを示す管路図である。この第５実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0052】

本第５実施形態の極低温冷却システム５０が第１実施形態と異なる点は、冷却源が複数（例えば極低温冷凍機１３と極低温冷凍機５３）存在し、このうちの少なくとも１つの冷却源、例えば極低温冷凍機５３が第１の循環系５１のみの構成要素として構成された点である。

【0053】

つまり、極低温冷凍機５３の２段冷却ステージ５２は、第１の循環系５１の冷却配管１８における極低温冷凍機１３の２段冷却ステージ１６Ａの下流側と合流点Ｍとの間に配置されて、２段冷却ステージ１６Ａにより冷却されたガスを更に冷却して超電導コイル１に導き、この超電導コイル１を冷却する。なお、極低温冷凍機５３に代えて、例えば液体ヘリウムを貯溜する貯溜槽を冷却配管１８に配設してもよい。

【0054】

以上のように構成されから、本第５実施形態においても、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）を奏する。

【0055】

（５）極低温冷却システム５０では、第１の循環系５１及び第２の循環系１２の構成要素となる極低温冷凍機１３のほかに、第１の循環系５１のみの構成要素となる例えば極低温冷凍機５３を有する。従って、極低温冷却システム５０は、超電導コイル１の予冷モードまたは励消磁モードにおいて、例えば２つの極低温冷凍機１３及び５３により冷凍能力が向上して、超電導コイル１を迅速に冷却することができる。

【0056】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができ、また、それらの置き換えや変更、組み合わせは、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0057】

１…超電導コイル（被冷却物）、１０…極低温冷却システム、１１…第１の循環系、１２…第２の循環系、１３…極低温冷凍機（冷却源）、１４…真空容器、１５…１段冷却ステージ、１６、１６Ａ、１６Ｂ…２段冷却ステージ、１７…圧縮機、１９…第１熱交換器、２０…第２熱交換器、２１…室温バルブ（第１のバルブ）、２２…低温ファン（ファン）、２４…低温バルブ（第２のバルブ）、２５…極低温冷却システム、２６…第１の循環系、２７…バイパスライン、２８…バイパス弁、３０…極低温冷却システム、３１…第１の循環系、３２…ＪＴバルブ、３４…ＪＴ冷却系、４０…極低温冷却システム、５０…極低温冷却システム、５１…第１の循環系、５３…極低温冷凍機（冷却源）、Ｍ…合流点、Ｎ…分岐点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】