JP2006332691A - 超電導マグネット - Google Patents

Abstract

【課題】超電導マグネットに関し、熱負荷の余裕が大きく高熱等を受けても超電導状態の破壊を防止できるようにする。
【解決手段】環状に形成された超電導コイル２２と、超電導コイル２２を包囲する熱シールド２３と、熱シールド２３を包囲する真空容器２５と、真空容器２５に取着され超電導コイル２２および熱シールド２３を冷却する冷凍機２４とを備えた超電導マグネット２１において、超電導コイル２２を構成する超電導線２９をコイル状に巻く工程の途中で、コイル層間に例えばＥｒ_３Ｎｉによって構成されたシート状の蓄冷材を巻込み、これによりコイル層間の熱容量を増加させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷凍機冷却型の超電導マグネットに関するものである。

従来、この種の超電導マグネットとして、例えば図９に示すように、超電導コイルを冷凍機で直接的に冷却する冷凍機直接冷却型の超電導マグネットが知られている（特許文献１参照）。この図９に示した超電導マグネットは、真空容器（クライオスタット）１と、この真空容器１の内部に収納された熱シールド板２と、このシールド板２で包囲された超電導コイル３と、この超電導コイル３に励磁電流を供給するための正負極一対の高温超電導電流リード４と、コイル冷却用の第１段冷却ステージ５Ａおよび第２段冷却ステージ５Ｂを有する冷凍機５とから成る構成とされている。

超電導コイル３は、コイル巻枠６に超電導線材７を巻付けたもので、その外周に冷却促進部材として外周冷却用銅ブロック８を締め付けてある。この外周冷却用銅ブロック８およびコイル巻枠６を蓄冷式冷凍機５の第２段冷却ステージ５Ｂに接触固定することにより、超電導線材７を極低温まで冷却するようになっている。

但し、この技術では、熱容量の大きい超電導コイル３を冷凍機５だけで冷却する構成であるため、初めに室温から極低温まで冷却する（初期冷却）ときには、非常に長い時間を要するものであった。

また、これに関連して、超低温冷却を行う技術として、例えば図１０に示す冷却材分配方式のものも知られている（特許文献２参照）。この技術は、液体冷媒を用いた冷却方法および装置についてのものであり、被冷却物９の被冷却面１０を繊維マット１１等の液相冷却材分散手段に接触させ、この繊維マット１１等に冷却材分配系１１ａから液相冷却材を供給し、その冷却材を繊維マット１１等の多孔性を利用して分散させることで被冷却物９を効率よく冷却するようにしている。

しかし、この技術では、液体冷媒が繊維マット１１等に十分に接触・保持されている間は十分に冷却できるが、一旦、液体冷媒が気化してしまうと液体冷媒の補給が困難であり、液体冷媒を補給し続けなければならないものであった。

さらに、図１１に示すように、気体冷媒を用いた冷却技術も知られている（特許文献３参照）。この技術では、載置台１２とこの載置台１２上に保持された被処理物１３との間隙に、ガス導入管１４を介して伝熱媒体としての気体冷媒を導入するようにしている。

ところが、この技術は載置台１２と被処理物１３との間隙が小さい場合には有効であるが、間隙が大きい場合には効果が小さいものであった。

さらにまた、図示しないが、特許文献４には、高熱伝導性充填剤として、充填剤基材となるグラファイト粉中に吸着している空気を、ヘリウムあるいは水素などの高熱伝導性のガスに置換する技術が開示されている。

しかし、この技術による高熱伝導性充填剤を使用しても大きな熱侵入や急激な発熱に対しては必ずしも十分な効果が得られず、局部的に温度上昇して、超電導状態が壊れる場合がある。
特開平６−１３２５６７号公報 特開平６−２０９０５９号公報 特開平５−２９２２２号公報 特開平７−９０２４９号公報

上述したように、従来の技術においては、種々の課題がある。即ち、図９に示した技術では熱容量の大きい超電導コイル３を冷凍機５だけで冷却するため、初めに室温から極低温まで冷却する（初期冷却）ときに非常に長い時間を要した。超電導コイル３が冷却されて超電導となっている状態では、冷凍機５の第２段冷却ステージ５Ｂへの熱侵入量（熱負荷）は、一般的に１Ｗ以下と小さく十分に冷凍機で冷却できる状態である。しかし、１Ｗ程度の冷却能力で超電導コイル３を冷却すると、初期予冷に数日から数週間を要する。そこで、初期冷却に要する時間を短くする手段が望まれている。

また、図１０に示した技術では、液体冷媒が繊維マット１１等に十分に接触・保持されている間は十分に冷却できるが、一旦、液体冷媒が気化してしまうと液体冷媒の補給が困難であり、また、液体冷媒を補給し続けなければならないという課題があった。そこで、液体冷媒を補給し続けなくとも冷却が可能な手段が望まれている。

さらに、図１１に示した技術では、載置台１２と被処理物１３との間隙が小さい場合には有効でも、間隙が大きい場合には効果が小さいという課題があった。そこで、間隙の大きい場合でも冷却の効果が大きくなる手段が望まれている。

さらにまた、上記特許文献４に開示された技術では、高熱伝導性充填剤を使用しても大きな熱侵入や急激な発熱には効果が小さく、局部的に温度上昇してしまい、超電導状態が壊れてしまうという課題があった。そこで、大きな熱侵入や急激な発熱でも超電導状態が壊れないような手段が望まれている。

本発明はこのような事情のもとになされたものであり、熱負荷の余裕が大きく高熱等を受けても超電導状態の破壊を防止できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するために、請求項１の発明では、環状に形成された超電導コイルと、この超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着され、前記超電導コイルおよび輻射シールドを冷却する冷凍機とを備えた超電導マグネットにおいて、前記超電導コイルに蓄冷材からなる熱容量増加手段を付設したことを特徴とする超電導マグネットを提供する。

本発明によれば、超電導コイルが急激に温度上昇することがなくなり、大きな熱侵入や急激な発熱に対しても超電導状態の破壊を防止することができる。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。

図１は、各種物性試験用として適用される超電導マグネットの要部を概略的に示す斜視図である。

この図１に示す超電導マグネット２１は、環状の超電導コイル２２と、この超電導コイル２２を包囲する輻射シールドとしての熱シールド２３と、これらの超電導コイル２２と熱シールド２３とを冷却するための定常運転用の冷凍機２４と、これらを断熱保持する真空容器（クライオスタット）２５とを備えた構成としている。

冷凍機２４は第１段ステージ２４ａおよび第２段ステージ２４ｂを有し、第１段ステージ２４ａでは約４０Ｋまでの冷却が行われ、第２段ステージ２４ｂでは４Ｋ以下の冷却が行われる。第１段スーテジ２４ａは熱伝導体２６を介して熱シールド２３に接続され、また第２段ステージ２４ｂは伝熱導体２７を介して超電導コイル２２に接続されている。これにより、超電導コイル２２は約４Ｋまで伝導冷却され、熱シールド２３は約４０Ｋにまで冷却される。

超電導コイル２２の外周部には、冷凍機２４と別に、冷媒としての液体ヘリウムまたは液体窒素を流すことができる予冷装置としての予冷管２８がコイル状に巻かれて熱的に強固に接合されている。この予冷管２８の真空容器２５からの引出し端部２８ａが、図示しない着脱可能な冷媒供給源に接続されている。

超電導マグネット２１の使用時には、超電導コイル２２に図示しない電源から励磁用電流を供給する一方、冷凍機２４の駆動により超電導コイル２２の冷却を行う。この場合、冷凍機２４の運転途中で予冷管２８に液体窒素および液体ヘリウムを冷却状態に応じて順に供給することで予冷を行う。

即ち、この場合には、まず予冷管２８に液体窒素を流すことにより超電導コイル１４を室温から約１００Ｋまで冷却し、次に予冷管２８に液体ヘリウムを流す。

このように、予冷管２８を使用して超電導コイル２２を予冷した場合には、冷凍機２４のみで超電導コイル２２を室温から４Ｋまで冷却するのに１０日間要したものが、１５時間程度で４Ｋまで冷却できるようになり、初期冷却に要する時間の短縮が図れる。

図２は、超電導コイル２２を拡大して示す部分断面図である。

この図２に示すように、本実施形態では超電導コイル２２を構成する超電導線２９を密閉環状のコイル容器３０内に収納している。そして、超電導線２９の周囲とコイル容器３０との間には、間隙３１，３２，３３，３４を開け、かつコイル容器３０内にヘリウムガス３５を充填している。このヘリウムガス３５としては、超臨界ヘリウムを適用することが望ましい。

また、コイル容器３０の重力方向上部の一部、例えば図２に斜線部３０ａで示した内周側部分を、図示しない冷凍機によって冷却される冷却部としている。

このように、超電導線２９とコイル容器３０との間に充分な隙間３１，３２，３３，３４を開けた状態でコイル容器３０内にヘリウムガス３５を充填し、そのコイル容器３０の冷却部である上部内周側部分３０ａを強制的に冷却することにより、コイル容器３０の上部内周側部分３０ａで冷却されたヘリウムガス３５は、超電導線２９の内周側の隙間３１を下り、超電導線２９の下方の隙間３２、同外周側の隙間３３および上側の隙間３４を通り、再び冷却部へ戻るという対流が起こり、これによって超電導線２９が冷却される。即ち、ヘリウムガス３５の対流により、超電導線２９とヘリウムガス３５との熱伝導率が大きくなり、高性能の冷却機能が得られる。

この場合、隙間形成手段としては、超電導線２９をコイル状に巻付けるための巻枠を、巻線後に取外した状態で、コイル容器３０に収納すること等の手段が適用できる。これにより、超電導線２９の内周側に隙間３１を容易に形成することができる。

これに対し、上記の巻枠を取外すことなく、超電導線２９とともにコイル容器３０に収納する場合には、ヘリウムガス３５と超電導線２９との接触を促進するための工夫を要する。

図３は、このような工夫を施した巻枠の構成例を示す斜視図である。

この図３に示すように、巻枠３６は軸方向両端にフランジを有する円筒状のものであり、この巻枠３６は外周側に超電導線２９を巻装した状態で、前記のコイル容器３０に収納される。本実施形態では、この巻枠３６の周壁に多数の孔３７を穿設している。これらの孔３７は、図示の如く円形孔とし、または図示しないが巻枠３６の軸方向に長い長孔またはスリットとしてもよい。この図３の構成では、例えば巻枠３６をできるだけ薄くすることにより、円形の孔３７の径ｄを巻枠３６の板厚ｔよりも十分大きくすることが実現できる。

このような構成によれば、巻枠３６を取外すことなく超電導線２９とともにコイル容器３０に収納しても、巻枠３６の内周側とコイル容器３０との間に隙間を形成しておくことにより、孔３７を介してヘリウムガス３５が超電導線２９に接触し、前記同様の冷却効果を奏することができる。

なお、円形の孔３７の径ｄ、または図示しない長孔またはスリットの長さが巻枠３６の厚さｔよりも小さいと、巻枠３６の表面に沿って流れるヘリウムガスが十分に超電導線２９の表面に接触せず、孔３７等の効果が十分に生きないので、前記の如く、ｄをｔよりも大きくするものである。

また、図３の例では、巻枠３６の内周面にヘリウムガス３５の流れを整流するための整流リブ３８を設けている。この整流リブ３８は、例えば螺旋状をなしている。このような整流リブ３８を設けることにより、各リブ間の流量がバランスして冷却効果の均一化が図られる。なお、流量アンバランスが生じた場合には、流量の多い部分は乱流となり易いために、流れの抵抗が増し、自然にアンバランスが解消されるよう作用する。また、乱流は熱伝達率を大きくする方向に作用するため、超電導コイル２２全体としての冷却能力が損われることはない。

なお、図３の例では、整流リブ３８の螺旋角度が十分に得られないように見えるが、一つのリブ構成で巻枠３６を最低一周以上巻回する角度で付設すれば、リブ間の流量アンバランスが生じたままであっても、そのリブ間で流動するヘリウムガスによる冷却だけで、超電導コイル２２の全長に亘って十分な冷却効果が得られる。

なお、超電導コイル２２は、その構造上、円周方向には超電導線２９による巻線の熱伝導で十分に冷却されるが、軸方向では熱伝達が非常に悪い構造となっているので、超電導コイル２２の全長に亘ってヘリウムガスが十分に流れるようにして、冷却効果を向上させることが望ましい。

また、本実施形態では、巻枠３６とコイル容器３０との隙間を、その巻枠３６の板厚よりも大きくして、ヘリウムガス３５の流量が十分にとれるようにすることが望ましい。そして、この状態で、巻枠３６とコイル容器３０との隙間やリブ間に、乱流促進機構を設ければ、巻枠３６や超電導線２９とヘリウムガス３５との熱伝達ひいては超電導コイル２２の冷却性が良くなり、信頼性の向上が図れる。

このように、ヘリウムガスで超電導線２９を冷却する構成によれば、非含浸コイルのようなコイル巻線間での熱伝導が小さく、コイルの一部を冷却しても全体が冷えにくい構造の超電導コイルであっても、良好な冷却効果が得られるようになる。特に、初期冷却の際にその効果が大きく、短時間での冷却が可能となる。

また、このようにして、超電導線２９とコイル容器３０との間の熱伝達率を向上する構成によれば、冷凍機２４によって十分にコイル冷却が行われるので、液体ヘリウムをコイル容器３０に注入する等の必要もなくなる。

なお、図示しないが、コイル状に巻かれた超電導線２９を複数のエレメントとして軸方向に分割した構成とすれば、ヘリウムガス３５と超電導線２９との接触面積が増加し、冷却効果はさらに大きくなる。

また、ヘリウムガス３５は、４Ｋ程度では比熱が大きいため、蓄冷材としての機能も発揮する。即ち、冷却時間のうち、殆どが室温から１００Ｋ付近までの冷却に要する時間であり、この温度範囲ではヘリウムガスの熱容量が桁違いに小さく、一方、ヘリウムガスは４Ｋ付近では逆に桁違いに大きな比熱を有するため、初期冷却時には冷却の負荷とならずに熱伝導率を向上させる効果を発揮し、しかも低温では蓄冷材としての効果を示すものである。

次に、超電導線２９による巻線の内部における蓄冷機能を向上させる熱容量増加手段について説明する。

即ち、超電導コイル２２への通電電流を増加または減少させるときにはＡＣロスが生じ、超電導コイルが発熱する。このため、ある程度以上に速い速度で通電電流を増減させると、超電導コイル２２の超電導状態が壊れる可能性がある。そこで、超電導状態を破壊することなく、超電導コイル２２の通電電流を速い速度で増減できるようにすることが望ましく、これが達成できれば、超電導コイル２２の使用範囲が拡がり、運転費用も低減できるようになる。

図４（Ａ）は、超電導コイル２２の一部を示す図であり、図４（Ｂ）は同図（Ａ）で示したコイル中の超電導線２９部分を抽出して示す図である。

この図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、本実施形態では、超電導線２９をコイル状に巻く工程の途中で、コイル層間に例えばＥｒ_３Ｎｉ（エルビニウムニッケル）によって構成されたシート状の蓄冷材３９を巻込み、これにより、コイル層間の熱容量を増加させたものである。

層間に何らの蓄冷材をも介在させない超電導コイルの場合、通電速度の限度が１０Ａ／ｓであるのに対し、ほぼ同一構成のコイル層間に蓄冷材３９を介在させた本実施形態のものでは、約３倍程度速く通電電流を増減することができることが認められた。

したがって、本実施形態によれば、同一通電電流の増減速度で使用した場合、超電導線２９の超電導状態が壊れる虞がほぼ皆無と言えるまでに減少するため、超電導マグネットとしての信頼性を大幅に向上することができる。

なお、図４（Ａ）の例では、蓄冷材３９をシート状としたが、同図（Ｃ）に示すように、紐状としてもよく、また図示しないが、テープ状としてもよい。さらに、層間ではなく、超電導線２９の周囲に巻付けた構成としてもよい。

さらにまた、蓄冷材３９の材質としては、前記Ｅｒ_３Ｎｉのほか、ＥｒＮｉ_２，Ｅｒ_０．４Ｄｙ_０．６Ｎｉ_２，ＥｒＮｉ，Ｅｒ_０．２Ｄｙ_０．８Ｎｉ_２，ＤｙＮｉ_２，Ｐｂ，Ｇｄ_０．５Ｅｒ_０．５Ｒｈ等を適用してもよく、これらによっても前記同様の効果が得られる。

また、超電導コイル２２に付設する熱容量増加手段は、そのコイル外周側に配置することも可能である。

即ち、図５および図６に示すように、熱容量増加手段は、超電導コイル２２の外周部に取着した蓄冷材パック４０とすることも可能である。この蓄冷材パック４０は、図５に示した構成では、超電導コイル２２の外周面に同軸的に被着した環状のものとしている。また図６に示した構成では超電導コイル２２の外周面に周方向に沿って間隔的に接合した短冊状のものとしている。

このような構成によっても、熱容量の増加によって前記同様の効果が奏される。これら図５および図６の例では、さらに施工が容易である等の利点が得られる。

なお、図５および図６の例では蓄冷材パック４０を超電導コイル２２の外周側に貼り付けた構成としたが、内周側に貼り付けることも可能である。

なお、図５に示した蓄冷材パック４０は、超電導線２９と同一方向に貼り付けるため、その蓄冷材パック４０間に隙間がある場合には、その隙間に位置する超電導線２９に対する蓄冷効果は低いが、図６に示した短冊形の蓄冷材パック４０の場合には、超電導線２９の軸方向に沿って貼り付けることができるため、蓄冷材パック４０間に隙間があったも大きい蓄冷効果を維持することができる。

なお、蓄冷材パック４０の材質についても、前記同様に、Ｅｒ_３Ｎｉ、ＥｒＮ_２、Ｅｒ_０．４Ｄｙ_２、ＥｒＮｉ、Ｅｒ_０．２Ｄｙ_０．８Ｎｉ_２、ＤｙＮｉ_２、ＰｂまたはＧｄ_０．５Ｅｒ_０．５Ｒｈ等を適用することができる。

図７は本発明の他の実施形態を示す要部斜視図である。

この図７に示した実施形態の超電導マグネット２１も、環状に形成された超電導コイル２２と、この超電導コイル２２を包囲する熱シールド２３と、この熱シールド２３を包囲する真空容器２５と、この真空容器２５に取着され、超電導コイル２２および熱シールド２３を冷却する定常運転用の冷凍機２４とを備えた構成とされている点では前記一実施形態と同様である。

但し、この実施形態の超電導マグネット２１においては、超電導コイル２２を予冷するための予冷装置として別の冷凍機４１を設けている。

この予冷用冷凍機４１は、定常運転用の冷凍機２４よりも大容量のもので、真空容器２５に着脱可能に付設されている。この予冷用冷凍機４１の第２段ステージ４１ａに直接、銅製の熱伝導板４２が取付けられ、この熱伝導板４２が、超電導コイル２２に取付けた熱伝導板４３と接触する構造になっている。

そして、この予冷用冷凍機４１は、超電導コイル２２の初期冷却の時にのみ装着されて稼動し、４０〜５０Ｋ程度まで冷却したところで取外し、または熱的に切断できるようになっている。

このような図７に示した実施形態によれば、予冷用冷凍機４１を着脱して予冷できるようにしたことにより、設置場所が狭い場所での利用に好適である。また、使用目的や都合により、予冷後に連続で冷却したまま維持する超電導マグネットの場合には、容量の小さい冷凍機が１台あればよいので、この実施形態を適用することにより、占有面積を縮小できるとともに、取扱も容易になり、電気料金などの維持費も安価で済むものとすることができる。逆に、頻繁に冷却・昇温を繰返す使用方法や、初期冷却の時間を短縮する使用方法を採用する場合には、予冷用の大容量の冷凍機４１を付設することで、各運転時における、より迅速な冷却を実現することができる。

図８（Ａ），（Ｂ）は本発明のさらに他の実施形態を示すもので、（Ａ）は超電導コイルの部分断面図であり、同図（Ｂ）はその要部拡大図である。

この実施形態では、超電導コイル２２の巻線を構成する超電導線２９の間に高熱伝導率材製の冷却促進用シート４４を介在させてある。この冷却促進用シートは、例えばアルミニウム、インジウム、鉛またはこれらの合金によって構成されている。そして、冷却促進用シート４４は、超電導線２９をコイル状に巻く工程の途中で層間に巻込むことにより構成される。

このような構成によれば、アルミニウム等は熱伝導率が大きいので、これらで構成される冷却促進用シート４４により冷凍機への伝熱量を多くすることができ、超電導コイルの外乱による熱の除去が図れるとともに、冷却速度性能の向上が図れる。

なお、冷却促進用シートの形状は、短冊形であってもよい。

また、図２に示したコイル容器３０内には、液体窒素または運転初期に液体ヘリウムを供給して、予冷用として機能させることができる。

本発明の一実施形態を示すもので、予冷管を付設した直冷式超電導マグネットの概略構成を示す斜視図。 前記実施形態において、ヘリウムガス封入式の超電導コイルを示す断面図。 前記実施形態において、超電導コイルの巻枠を示す拡大図。 （Ａ）は前記実施形態における超電導コイルの一部を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）の変形例を示す拡大図。 前記実施形態において、蓄冷材パックを示す斜視図。 図５の変形例を示す斜視図。 本発明の他の実施形態を示す斜視図。 （Ａ）は本発明のさらに他の実施形態による超電導コイルの一部を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図。 従来例を示す図。 他の従来例を示す図。 さらに他の従来例を示す図。

符号の説明

２１…超電導マグネット、２２…超電導コイル、２３…熱シールド、２４…冷凍機、２４ａ…第１段ステージ、２４ｂ…第２段ステージ、２５…真空容器（クライオスタット）、２６…熱伝導体、２７…伝熱導体、２８…予冷管、２９…超電導線、３０…コイル容器、３０ａ…コイル容器上部内周側部分、３１，３２，３３，３４…間隙、３５…ヘリウムガス、３６…巻枠、３７…孔、３８…整流リブ、３９…蓄冷材、４０…蓄冷材パック、４１…冷凍機、４１ａ…第２段ステージ、４２，４３…熱伝導板、４４…冷却促進用シート。

Claims (7)

1. 環状に形成された超電導コイルと、この超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着され、前記超電導コイルおよび輻射シールドを冷却する冷凍機とを備えた超電導マグネットにおいて、前記超電導コイルに蓄冷材からなる熱容量増加手段を付設したことを特徴とする超電導マグネット。
2. 請求項１記載の超電導マグネットにおいて、熱容量増加手段は、超電導コイルに取着した蓄冷材パックであることを特徴とする超電導マグネット。
3. 請求項２記載の超電導マグネットにおいて、蓄冷材パックは、超電導コイルの外周面または内周面に同軸的に取着した環状のもの、または前記外周面または内周面に周方向に沿って間隔的に接合した短冊状のものであることを特徴とする超電導マグネット。
4. 請求項１記載の超電導マグネットにおいて、熱容量増加手段は、超電導コイルに取着した蓄冷材テープであることを特徴とする超電導マグネット。
5. 請求項１記載の超電導マグネットにおいて、熱容量増加手段は、超電導コイルの巻線を構成する超電導線の間に介在させたシート状または紐状の蓄冷材であることを特徴とする超電導マグネット。
6. 請求項５記載の超電導マグネットにおいて、蓄冷材はＥｒ_３Ｎｉ、ＥｒＮ_２、Ｅｒ_０．４Ｄｙ_２、ＥｒＮｉ、Ｅｒ_０．２Ｄｙ_０．８Ｎｉ_２、ＤｙＮｉ_２、ＰｂまたはＧｄ_０．５Ｅｒ_０．５Ｒｈであることを特徴とする超電導マグネット。
7. 請求項１記載の超電導マグネットにおいて、熱容量増加手段は、超電導コイルをコイル容器内に収納し、これらコイル容器と超電導コイルとの空隙に蓄冷材を充填した構成であることを特徴とする超電導マグネット。

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