JP2004127964A

JP2004127964A - 超伝導マグネット装置

Info

Publication number: JP2004127964A
Application number: JP2002285468A
Authority: JP
Inventors: Sakutaro Yamaguchi; 山口　作太郎
Original assignee: YYL KK
Current assignee: YYL KK
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP4435468B2

Abstract

【課題】電源ターミナルから熱が低温側に銅リードを伝わって侵入することを抑止・低減し、冷却効率を向上する装置の提供。
【解決手段】超伝導マグネット１１を収容するクライオスタット１０と、ＧＭ（ギフォード・マクマフォン式）冷凍機３０と、を備え、超伝導マグネット１１の超伝導素線１２が高温超伝導体１３を介して銅リード１４の一端に接続され、銅リードの他端は、熱電変換素子１５が接続されたターミナル２０Ａに接続され、常温部で前記ターミナルは電源４０に接続されており、前記ＧＭ冷凍機の１段目は前記高温超伝導体の高温側に接続され、前記ＧＭ冷凍機の２段目は前記高温超伝導体の低温側に接続されている。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導マグネット装置に関し、特に、ヘリウム・フリー・マグネットの超伝導装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヘリウム・フリー・マグネット（Ｈｅｌｉｕｍ　Ｆｒｅｅ　Ｍａｇｎｅｔ）構造について説明する。液体ヘリウム（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｈｅｌｉｕｍ）を用いない超伝導マグネットは、「ヘリウム・フリー・マグネット（ＨＦＭ）」と呼ばれている。図３は、従来のヘリウム・フリー・マグネット（ＨＦＭ）（伝導冷却高磁界超伝導マグネット）の構成を模式的に示す図である。
【０００３】
図３を参照すると、従来のヘリウム・フリー・マグネット（ＨＦＭ）は、ＧＭ（ギフォード・マクマフォン式）冷凍機３０によって超伝導マグネット１１が伝導冷却されて、低温に保持されているシステムであり、全体は、クライオスタット１０の中にある。このシステムは高温超伝導体（ＨＴＳ）１３が開発されたことによって実用化されている。ヘリウム・フリー・マグネット（ＨＦＭ）は、高温超伝導体（ＨＴＳ）１３の低熱伝導率の特徴を利用している。超伝導マグネット１１を収容するクライオスタット１０と、ＧＭ冷凍機３０と、電源４０と、ヘリウム圧縮機５０と、を備え、クライオスタット１０内において、超伝導マグネット１１の超伝導素線１２が高温超伝導体１３を介して銅リード１４の一端に接続され、銅リード１４の他端はターミナル（電源端子）２０に接続されている。ターミナル２０は、クライオスタット１０の上面（壁）等に設けられた貫通孔に気密に配設されており、常温側で電源４０の＋端子と−端子にそれぞれ接続されている。
【０００４】
ＧＭ冷凍機３０は、通常２段式のシステムが利用されている。その理由は、単段では、到達温度が４０Ｋ程度で超伝導マグネット１１にとって温度が高すぎるからである。このため、１段目３１に、高温超伝導体（ＨＴＳ）１３の高温端を熱的に接続し（電気的には絶縁されている）、２段目３２に、高温超伝導体（ＨＴＳ）１３の低温端を接続すると同時に、超伝導マグネット１１に当接して、超伝導マグネット１１を低温に保持する。
【０００５】
超伝導マグネット１１からの熱、及び、高温超伝導体（ＨＴＳ）１３の両端部からの熱は、２段構成のＧＭ冷凍機３０において、２段目３２、１段目３１で、矢線で示す熱流として、ＧＭ冷凍機３０側に吸熱される。
【０００６】
なお、この種の小型冷凍機として、
１）２段式小型ＧＭ冷凍機、
２）コンプレッサー入力３相―ＡＣ２００Ｖ―５０／６０ｈｚ，　５．９／７．１ｋＷ、
３）水冷型コンプレッサー、
運転時の水量６〜８　リットル／ｍｉｎ、
４）コンプレッサー外形寸法７００ｍｍ　×　５３２ｍｍ　×　５２３ｍｍ（長さ×幅×高さ）、
５）コンプレッサー重量１２５ｋｇ、
等の仕様の製品が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示した装置では、非通電時、電源ターミナル２０から熱が低温側に銅リード１４を伝わって侵入し、冷却効率が低下する。
【０００８】
したがって、本発明は、電源ターミナルから熱が低温側に銅リードを伝わって侵入することを抑止・低減し、冷却効率を向上する装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の１つのアスペクト（側面）に従う装置は、超伝導マグネットを収容するクライオスタットと、前記超伝導マグネットを伝導冷却する冷凍機と、前記クライオスタットの壁を貫通して気密に設けられており、端子の両端が、常温側と前記クライオスタット内の低温側とにそれぞれ位置し、熱電変換素子が配設されているターミナルと、を備え、前記クライオスタット内において、前記超伝導マグネットを構成する超伝導素線は、高温超伝導体を介して、銅リードの一端に接続され、前記銅リードの他端は、前記ターミナルの前記熱電変換素子に接続され、前記冷凍機の１段目は、前記高温超伝導体の高温側に熱的に接続され、前記冷凍機の２段目は、前記高温超伝導体の低温側及び前記超伝導マグネットに熱的に接続されて、冷却を行うものであり、前記クライオスタット外部の常温側の前記ターミナルは、前記クライオスタット外部に設けられている電源に接続されている。
【００１０】
本発明の他のアスペクト（側面）に従う装置は、超伝導マグネットを収容するクライオスタットと、前記超伝導マグネットを伝導冷却する冷凍機と、前記クライオスタットの壁を貫通して気密に設けられており、端子の両端が、常温側と前記クライオスタット内の低温側とにそれぞれ位置し、熱電変換素子が配設されており、さらに、常温側に熱を排出する熱交換器を備えたターミナルと、を備え、前記クライオスタット内において、前記超伝導マグネットを構成する超伝導素線は、高温超伝導体を介して、銅リードの一端に接続され、前記銅リードの他端は、前記ターミナルの前記熱電変換素子に接続され、前記冷凍機の１段目は、前記高温超伝導体の高温側に熱的に接続され、前記冷凍機の２段目は、前記高温超伝導体の低温側及び前記超伝導マグネットに熱的に接続されて、冷却を行うものであり、前記クライオスタット外部の常温側の前記ターミナルは、前記クライオスタット外部に設けられている電源に接続されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態においては、超伝導マグネット１１を収容するクライオスタット１０と、ＧＭ（ギフォード・マクマフォン式）冷凍機３０と、電源４０と、ヘリウム圧縮機５０と、を備え、クライオスタット１０内において、超伝導マグネット１１の超伝導素線１２が高温超伝導体１３を介して銅リード１４の一端に接続され、銅リード１４の他端は、低温側からの吸熱を行うペルチェ素子として機能する熱電変換素子１５を介してターミナル２０Ａに接続されている。常温側で、ターミナル２０Ａは、電源４０の＋端子、−端子（不図示）に接続されている。
【００１２】
ターミナル２０Ａは、クライオスタット１０の上面（壁）を貫通して気密に設けられており、熱電変換素子１５は、例えばターミナル２０Ａのクライオスタット１０内にまで延在して取り付けられている。
【００１３】
ＧＭ冷凍機３０の１段目３１は、高温超伝導体１３の高温側に熱的に接続され、ＧＭ冷凍機３０の２段目３２は、高温超伝導体１３の低温側に熱的に接続されている。
【００１４】
このように、本実施の形態においては、ヘリウム・フリー・マグネット構造を備え、電源ターミナル２０Ａ側から、熱が低温側に、銅リード１４を伝わって入ることを低減するために、熱電変換素子１５を取り付けている。ターミナル２０Ａは、第１、第２の電極端子を有し、常温側の第１の電極端子は、電源４０の＋端子（不図示）に接続され、電源４０より電流を導入し、第１の電極端子からの電流を第２の電極端子より、銅リード１４に供給し、第３、第４の電極端子を有し、第４の電極端子が電流リターン側の銅リード１４に接続され、リターン電流を第３の電極端子から電源４０の−端子（不図示）に返し、第１及び第２の電極端子、第３及び第４の電極端子間に、熱電変換素子１５が接続される構成とされる。
【００１５】
本発明の一実施例として、電源ターミナル２０Ａの構成の一例について、図４を参照して説明しておく。なお、図４には、二芯の構成が示されているが、単芯の構成にも適用できることは勿論である。熱電半導体としては、Ｐ型とＮ型の２種の半導体が用いられる。単芯の構成において、電流導入端子の場合、Ｎ型の熱電半導体、電流を電源側に出力する端子の場合、Ｐ型の熱電半導体が用いられる。
【００１６】
図４において、１Ａ、１ＢはＮ型、Ｐ型熱電半導体であり、２は本体（ハウジング）、３Ａ、３Ｂは電流導入端子の常温側の電極、５Ａ、５Ｂは電流導入端子の低温側の電極である。６は支持部材（サポート）、７は絶縁体（電気的に絶縁、熱伝導体）、８はボルト、９は、電流導入端子取りつけ用のフランジであり、１００は、フランジ９をクライオスタット等（不図示）へ取りつけるためのボルト用の穴である。フランジ９は、空冷フィン又は水冷パイプ等の冷却手段を備え、放熱効果の増大を図るようにしてもよい。電極５Ａ、５Ｂに、銅リード１４（図１参照）を接続し、電極３Ａ、３Ｂは電源４０の＋（高位側電源）端子と−（低位側電源）端子にそれぞれ接続する。電流が常温側から低温側に導入される場合、電極３Ａには、Ｎ型熱電半導体１Ａを接続する。また低温側から常温側に電流が流れる場合、電極３Ｂには、Ｐ型熱電半導体１Ｂを接続する。かかる構成とすることで、低温側への熱侵入を低減する。
【００１７】
二つの熱電半導体１Ａ、１Ｂは、二芯の電極のそれぞれに設けられ、導電型（極性）が相違している。熱電半導体１Ａ、１Ｂは、電極３Ａと５Ａの間、電極３Ｂと５Ｂの間に配設されている。熱電半導体１Ａ、１Ｂの両端は電気的なコンタクト部材１０１Ａ、１０２Ａと１０１Ｂ、１０２Ｂが設けられている。
【００１８】
熱電半導体１Ａ、１Ｂは、熱絶縁を行うものであり、電極低温側が、他の常温部分に接触しないような構成とされる。
【００１９】
ターミナルにおいて、常温側と、低温側と向き合う表面に、例えばアルミニウムをコーティングすることで、熱輻射を低減する構成としてもよい。アルミニウム板（熱輻射板）をハウジング２内の常温側と低温側の間に設け、電極（３Ａ、３Ｂ、５Ａ、５Ｂ）と電気的に絶縁させて設けてもよい。
【００２０】
また熱電半導体１Ａ、１Ｂは、電極３Ａ、３Ｂ、電極５Ａ、５Ｂに半田付け等で接続するため、接続部分に応力が加わって接続不良とならないように支持される。図１に示す例では、ハウジング２、フランジ９に対して支持ボルト６で固定されるサポート８に設けられた穴に、電極５Ａ、５Ｂが挿通されて支持されている。支持ボルト６としては例えばステンレス、サポート８は、ガラス材等、いずれも、熱伝導率が低く、且つ電気的絶縁部材が用いられる。
【００２１】
常温側に露出する電極３Ｂは、熱電半導体１Ｂによって低温側から熱が運びこまれるため、好ましくは、熱放散を考慮した構造とする。例えば棒状の電極３には、その外周を覆って、電極３Ａ、３Ｂよりも大きな径の電極４Ａ、４Ｂが取り付けられており、熱容量を大きくしている。そして、電極４Ａ、４Ｂは、電極３Ａ、３Ｂより電極４Ａ、４Ｂに伝達された熱をハウジング２に伝え、さらにフランジ９に容易に伝達する構成とされる。
【００２２】
常温側電極（３Ａ、３Ｂ）と低温側電極（５Ａ、５Ｂ）は電気的に絶縁されるため、互いに電気的絶縁物を介して接合され、本体（ハウジング）２（後述するようにアルミよりなる）との間にも、電気的絶縁層７が介在している。この電気的絶縁層７は、ベリリア、窒化アルミニウム等の熱伝導率の良好なセラミック材よりなり、できるだけ薄く設けられている。
【００２３】
フランジ９は、通常はステンレス製とされるが、この実施例では、熱放散を考慮して、熱伝導率の良好なアルミニウムよりなる。あるいは、電気的な絶縁を図る構成として上で、フランジ９は銅で構成してもよい。
【００２４】
上記のような構成により、電流の向きと、熱電半導体との組み合わせにより、熱を常温側に放散させ（冷却作用）、低温側への熱進入を抑制する電源ターミナル（ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｅｒｍｉｎａｌ）を実現できた。
【００２５】
なお、図４は、熱電変換素子１５を備えたターミナル構成の一例を示したものであり、熱電変換素子１５を備えたものであれば、図４の構成に限定されるものではないことは勿論である。なお、熱電半導体等の熱電変換素子１５を備えたターミナルについては、例えば特願２００２−０１０６２８号（本願出願時未公開）に詳述されている。
【００２６】
かかる本発明の構成には、２つの作用効果がある。
【００２７】
その一つは、熱電変換素子１５は、熱伝導率が低いために、熱抵抗が上昇し、非通電時の熱侵入が低減される。
【００２８】
他の一つは、通電によって、熱電変換素子１５のペルチェ効果により、熱を低温側から高温側に汲み上げることによって、更に、熱侵入を低減する。
【００２９】
図２は、本発明の第２の実施の形態の構成を示す図である。この第２の実施の形態においては、ペルチェ素子を備えたヘリウム・フリー・マグネット構造に、ジュール・トムソン弁（ＪＴ弁）を利用した冷却器（ＪＴ　クーラー）２１をターミナル２０Ｂに備えたものであり、ターミナル２０Ｂにも、ターミナル２０Ｂのクライオスタット１０内に熱電変換素子１５を備えることによって、常温側のターミナルには熱が輸送されてくる。ＪＴ弁を備えた冷却器（熱交換器）２１では、圧縮した気体（ガス）を細い開口より、広い空間に噴出す構成とされ、気体の堆積の変化によって内部エネルギーが変化するため、気体の温度が変化するというジュール・トムソン効果を利用し、冷却が行われる。
【００３０】
放熱量を下記の表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
熱電変換素子を具備しない場合、放熱量は、０．５３ｍＷ／Ａとなるが、熱電変換素子１５の組み込み方で、６５ｍＷ／Ａから約２００ｍＷ／Ａまでとなる。
【００３３】
熱を除去するために、ＪＴ弁を利用したＪＴ冷却器２１を、ターミナル２０Ｂに組み込んで冷却する。このための圧縮ヘリウムガスは、ヘリウム圧縮機５０から供給される。
【００３４】
また、ターミナル２０Ｂを冷却することで、外部から熱がターミナル２０Ｂに入ることを防ぐために、断熱層２２をターミナル２０Ｂに設ける。
【００３５】
ＪＴ冷却器２１の他にも、例えば通常の水冷却器をターミナル２０Ａ（図１参照）に取り付け、水を、ターミナル２０Ａとの間で循環させることによって、ペルチェ素子１５で発生した熱を取り除く構成としてもよい。
【００３６】
超伝導マグネットによって発生する磁場方向を反転させるために、通電方向を逆にする必要がある。この場合、例えば、図１、図２の熱電変換素子１５（ペルチェ素子）に逆方向に電流を流すと、熱が低温側に輸送されることになり、低温系への熱侵入を増大させる。そこで、本発明の別の実施の形態においては、図１、図２の熱電変換素子１５の低温側に切替えスイッチ（不図示）を配置して、極性を変更自在とする構成としてもよい。例えば金属でｐ型半導体とｎ型半導体をπ型に接合したサーモジュールにおいて、ｎ電極（ｎ型半導体）からｐ電極（ｐ型半導体）へ電流を流すと、共通接合部で吸熱となり、逆方向に電流を流すと、共通接合部で発熱となる。このため、超伝導マグネット１１を構成するコイル（超伝導素線）１２の一端に接続する第１の銅リードと、コイル（超伝導素線）１２の他端に接続する第２の銅リードと、電源４０の＋端子（不図示）側に電気的に接続される第１の熱電変換素子と、電源４０の−端子（不図示）側に電気的に接続される第２の熱電変換素子との間に、切替スイッチを備え、この切替スイッチは、第１の通電方向では、第１の熱電変換素子と第１の銅リード、第２の熱電変換素子と第２の銅リードを接続し、第２の通電方向では、第１の熱電変換素子と第２の銅リード、第２の熱電変換素子と第１の銅リードを接続するように、切替えを行う構成とされる。かかる構成により、超伝導マグネットでの磁場方向の反転のために通電方向を変えた（超伝導コイルの電流の流れる向きが逆転する）場合にも、電源４０より電流を導入する電極は、常に、ｎ電極とされ、ｎ電極からｐ電極へ電流を流すように設定され、逆方向の通電においても、低温側からの吸熱が行われる。
【００３７】
本発明の第２の実施の形態においては、熱電変換素子１５（ペルチェ素子）により低温側からくみ出された熱を処理するために、ＪＴ冷却器２１等の冷却手段によってターミナル（電極）２０Ｂを冷却している。ターミナル（電極）２０Ｂには、電源ケーブル（銅ケーブル）が接続されている。このため、冷却手段によるターミナル２０Ｂの冷却によって温度が下がると、電源ケーブルも冷却することになる。したがって、銅ケーブルと、ターミナル２０Ａ、２０Ｂとを、電気的には接続し、熱的に絶縁することが好ましい。そこで、本実施の形態において、ターミナル２０Ｂと、電源ケーブルの間に、電気的には接続し、熱的に絶縁するための、熱電材料（不図示）が介挿される構成とされる。
【００３８】
以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく、特許請求の範囲の各請求項の発明の範囲内で、当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ターミナルに熱電変換素子を備え、電源ターミナルからの銅リードへの熱侵入を非通電時の熱侵入を低減するとともに、通電によって、熱電変換素子のペルチェ効果により、熱を低温側から高温側に組み上げることによって、更に熱侵入を低減することができ、冷却効率を向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の構成を示す図である。
【図３】従来のヘリウム・フリー・マグネットの構成の一例を示す図である。
【図４】熱電変換素子を備えたターミナルの構成の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ　熱電半導体
２　本体（ハウジング）
３Ａ、３Ｂ　電極（常温側電極）
４Ａ、４Ｂ　電極
５Ａ、５Ｂ　電極（低温側電極）
６　支持ボルト
７　絶縁物
８　電気絶縁サポート
９　フランジ
１０　　クライオスタット
１１　　超伝導マグネット
１２　　超伝導素線
１３　　ＨＴＳ
１４　　銅リード
１５　　熱電変換素子
２０、２０Ａ、２０Ｂ　　ターミナル
２１　　冷却器
２２　　断熱層
３０　　冷凍機
３１　　１段目
３２　　２段目
４０　　電源
５０　　圧縮機
１００　取り付け穴
１０１、１０２　コンタクト部材
１０５　絶縁部材

Claims

超伝導マグネットを収容するクライオスタットと、
前記超伝導マグネットを伝導冷却する冷凍機と、
前記クライオスタットの壁を貫通して気密に設けられており、端子の両端が、常温側と前記クライオスタット内の低温側とにそれぞれ位置し、熱電変換素子が配設されているターミナルと、
を備え、
前記クライオスタット内において、前記超伝導マグネットを構成する超伝導素線は、高温超伝導体を介して、銅リードの一端に接続され、
前記銅リードの他端は、前記ターミナルの前記熱電変換素子に接続され、
前記冷凍機の１段目は、前記高温超伝導体の高温側に熱的に接続され、前記冷凍機の２段目は、前記高温超伝導体の低温側及び前記超伝導マグネットに熱的に接続されて、冷却を行うものであり、
前記クライオスタット外部の常温側の前記ターミナルは、前記クライオスタット外部に設けられている電源に接続されている、ことを特徴とする超伝導マグネット装置。
超伝導マグネットを収容するクライオスタットと、
前記超伝導マグネットを伝導冷却する冷凍機と、
前記クライオスタットの壁を貫通して気密に設けられており、端子の両端が、常温側と前記クライオスタット内の低温側とにそれぞれ位置し、熱電変換素子が配設されており、さらに、常温側に熱を排出する熱交換器を備えたターミナルと、
を備え、
前記クライオスタット内において、前記超伝導マグネットを構成する超伝導素線は、高温超伝導体を介して、銅リードの一端に接続され、
前記銅リードの他端は、前記ターミナルの前記熱電変換素子に接続され、
前記冷凍機の１段目は、前記高温超伝導体の高温側に熱的に接続され、前記冷凍機の２段目は、前記高温超伝導体の低温側及び前記超伝導マグネットに熱的に接続されて、冷却を行うものであり、
前記クライオスタット外部の常温側の前記ターミナルは、前記クライオスタット外部に設けられている電源に接続されている、ことを特徴とする超伝導マグネット装置。
前記冷凍機が、２段式のギフォード・マクマホン式冷凍機、及び／又は、パルス管冷凍機よりなる、ことを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導マグネット装置。
前記熱交換器に冷却装置を備えるジュール・トムソン弁、及び／又は、水冷却器を用いた冷却器よりなる、ことを特徴とする請求項２記載の超伝導マグネット装置。
前記ジュール・トムソン弁を用いた冷却器が、断熱層を有する、ことを特徴とする請求項４記載の超伝導マグネット装置。
前記ジュール・トムソン弁で冷却される電極と、前記電極に接続するケーブルとの間に熱電材料が介挿されている、ことを特徴とする請求項４記載の超伝導マグネット装置。
前記ジュール・トムソン弁を用いた冷却器を備えたターミナルには、前記ＧＭ冷凍機に、圧縮ヘリウムを供給するヘリウム圧縮機から圧縮ヘリウムが供給される、ことを特徴とする請求項４記載の超伝導マグネット装置。
前記熱電変換素子の低温側に切替えスイッチを置き、通電を行うコイルの極性を変更自在としてなる、ことを特徴とする請求項１記載の超伝導マグネット装置。
前記ターミナルにおいて、
第１の電極と、第２の電極を有し、前記第１の電極は、前記電源に接続され前記電源より電流を導入し、前記第１の電極から導入した電流を、前記第２の電極より前記銅ケーブルに供給し、
第３の電極と、第４の電極を有し、前記第４の電極が、前記銅ケーブルから受けた電流を、前記第３の電極より、前記電源に返す構成とされ、
前記第１の電極と前記第２の電極とが、第１の導電型の熱電変換素子を介して接続され、
前記第３の電極と前記第４の電極とが、第２の導電型の熱電変換素子を介して接続されている、ことを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導マグネット装置。