JP2018125338A - Superconducting magnet device and excitation method of superconducting magnet device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導磁石装置及び超電導磁石装置の励磁方法に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet device and a method for exciting a superconducting magnet device.
本技術分野の背景技術として、国際公開WO2015/189881号(特許文献1)がある。この公報には、「冷凍機に接続される熱良導体と、前記熱良導体と熱的に接触する超電導コイルと、前記超電導コイルの巻線部を前記熱良導体との間で挟み込む巻線部支持具と、前記熱良導体および前記超電導コイルを、常温から所定温度まで冷却する際における前記熱良導体および前記超電導コイルの巻線部の収縮量よりも大きい変位を与えることが可能な弾性体と、前記弾性体と接合し、かつ前記巻線部支持具と締結される締結具と、を有し、前記弾性体が前記巻線部の同一半径方向に対して、前記コイル巻線部の内周側と外周側との双方に少なくとも一つ以上配置される」(段落0009)ようにした超電導磁石が記載されている。冷却後、超電導磁石を通電すると、その電流変化により渦電流発熱が誘起される。渦電流発熱は通電電流変化速度の二乗に比例して増加する。超電導磁石の冷却路には熱良導体の金属が用いられることが多く、その熱良導体は一般的に電気良導体であるため、渦電流発熱が大きくなる。そこで渦電流発熱を低減することを目的として、特許文献1には、図3に関して、「冷却後、超電導コイル101に電流を供給した際に磁場が発生し、その発生磁場によって誘起される渦電流によって温度上昇が生じる。絶縁材23を入れることにより、渦電流密度を低減させることができる。」(段落0032)と記載されている。
As a background art in this technical field, there is International Publication No. WO2015 / 189881 (Patent Document 1). In this publication, “a good thermal conductor connected to a refrigerator, a superconducting coil that is in thermal contact with the good thermal conductor, and a winding part support that sandwiches the winding part of the superconducting coil with the good thermal conductor. An elastic body capable of giving a displacement larger than a contraction amount of the winding portion of the good heat conductor and the superconducting coil when the good heat conductor and the superconducting coil are cooled from room temperature to a predetermined temperature, and the elasticity A fastener that is joined to a body and fastened to the winding part support, and the elastic body has an inner peripheral side of the coil winding part with respect to the same radial direction of the winding part. There is described a superconducting magnet which is arranged at least one or both on the outer peripheral side (paragraph 0009). When the superconducting magnet is energized after cooling, eddy current heat generation is induced by the current change. Eddy current heat generation increases in proportion to the square of the current flow rate. A metal having a good heat conductor is often used for the cooling path of the superconducting magnet, and the heat good conductor is generally a good electric conductor, so that eddy current heat is increased. Therefore, for the purpose of reducing eddy current heat generation,
また、超電導コイル巻線部周囲の熱良導体を排除し、渦電流発熱を低減することが可能となる背景技術として、特開2015−179791号公報(特許文献2)がある。この公報には、「超電導磁石装置は、真空容器と、前記真空容器内に収納した超電導コイルと、前記超電導コイルを伝導冷却する冷凍機と、前記真空容器内で前記超電導コイルの周囲を覆う固体断熱層と、前記真空容器内で前記固体断熱層の周囲を覆うコイルケースと、前記コイルケースの表面の少なくとも一部に設けられ、かつ前記コイルケースよりも熱伝導率の高いケース用均熱部材と、前記真空容器内で前記コイルケース、前記ケース用均熱部材のいずれかと前記冷凍機とを熱的に接続する伝熱板と、を備えることを特徴とする。」(段落0008)ということが記載されている。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2015-179791 (Patent Document 2) is known as a background technology that can eliminate the heat-conducting conductor around the superconducting coil winding and reduce eddy current heat generation. In this publication, “a superconducting magnet device is a vacuum vessel, a superconducting coil housed in the vacuum vessel, a refrigerator for conducting and cooling the superconducting coil, and a solid covering the periphery of the superconducting coil in the vacuum vessel. A heat insulating layer, a coil case that covers the periphery of the solid heat insulating layer in the vacuum vessel, and a heat equalizing member for case that is provided on at least a part of the surface of the coil case and has a higher thermal conductivity than the coil case And a heat transfer plate that thermally connects either the coil case or the heat equalizing member for the case and the refrigerator in the vacuum vessel. ”(Paragraph 0008) Is described.
しかしながら、特許文献1にあるように、超電導コイル巻線部を冷却する熱良導体が不連続構造を有したとしても励磁速度は熱良導体の渦電流発熱により律速し得る。
一方で、特許文献2にあるように、超電導コイル巻線部を断熱層で覆うと、室温から超電導磁石装置の運転温度までの冷却に要する初期冷却時間が熱良導体と接している場合と比較して、十分に大きくなると想定される。さらに、その超電導磁石装置が大型化すると、質量に比例して、初期冷却時間はより長くなると想定される。
However, as disclosed in
On the other hand, as disclosed in Patent Document 2, when the superconducting coil winding portion is covered with a heat insulating layer, the initial cooling time required for cooling from room temperature to the operating temperature of the superconducting magnet device is compared with the case where it is in contact with a good thermal conductor. It is assumed that it will be sufficiently large. Furthermore, when the superconducting magnet device is enlarged, the initial cooling time is assumed to be longer in proportion to the mass.
本発明は、以上の点に鑑み、初期冷却時間を短縮できる超電導磁石装置及び超電導磁石装置の励磁方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the excitation method of the superconducting magnet apparatus which can shorten initial cooling time, and a superconducting magnet apparatus in view of the above point.
本発明の第1の解決手段によると、
超電導磁石装置であって、
真空容器と、
第一及び第二の除熱機構と、
超電導の巻線部と、前記第二の除熱機構と接続された前記巻線部の巻枠とを有し、前記真空容器の中に配置された超電導コイルと、
前記第一の除熱機構と接続され、前記巻線部と接触及び非接触に駆動可能であり、前記巻線部の一部と接触した状態で前記第一の除熱機構により前記巻線部を除熱し、前記巻線部と非接触とした状態で前記真空容器に固定されるように構成された、第一の熱良導体と、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と接触及び非接触に駆動するための支持体と、
を備えた超電導磁石装置が提供される。
According to the first solution of the present invention,
A superconducting magnet device,
A vacuum vessel;
First and second heat removal mechanisms;
A superconducting coil having a superconducting winding part and a winding frame of the winding part connected to the second heat removal mechanism, and disposed in the vacuum vessel;
It is connected to the first heat removal mechanism, can be driven in contact with and non-contact with the winding part, and the winding part is in contact with a part of the winding part by the first heat removal mechanism. A first heat good conductor configured to be fixed to the vacuum vessel in a state of non-contact with the winding portion, and
A support for driving the first good thermal conductor in contact and non-contact with the winding; and
A superconducting magnet device is provided.
本発明の第2の解決手段によると、
超電導磁石装置の励磁方法であって、
前記超電導磁石装置は、
真空容器と、
第一及び第二の除熱機構と、
超電導の巻線部と、前記第二の除熱機構と接続された前記巻線部の巻枠とを有し、前記真空容器の中に配置された超電導コイルと、
前記第一の除熱機構と接続され、前記巻線部と接触及び非接触に駆動可能であり、前記巻線部の一部と接触した状態で前記第一の除熱機構により前記巻線部を除熱し、前記巻線部と非接触とした状態で前記真空容器に固定されるように構成された、第一の熱良導体と、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と接触及び非接触に駆動するための支持体と、
を備え、
前記第一の徐熱機構による前記巻線部の冷却時に、前記支持体により前記第一の熱良導体を前記巻線部に加圧して接触させ、
前記巻線部が運転温度に到達後、前記支持体により前記第一の熱良導体を前記巻線部と非接触として前記真空容器の面に設けられた断熱層に固定し、
前記巻線部に通電を開始する、
ことを特徴とする励磁方法が提供される。
According to the second solution of the present invention,
A method of exciting a superconducting magnet device,
The superconducting magnet device is:
A vacuum vessel;
First and second heat removal mechanisms;
A superconducting coil having a superconducting winding part and a winding frame of the winding part connected to the second heat removal mechanism, and disposed in the vacuum vessel;
It is connected to the first heat removal mechanism, can be driven in contact with and non-contact with the winding part, and the winding part is in contact with a part of the winding part by the first heat removal mechanism. A first heat good conductor configured to be fixed to the vacuum vessel in a state of non-contact with the winding portion, and
A support for driving the first good thermal conductor in contact and non-contact with the winding; and
With
When cooling the winding portion by the first gradual heating mechanism, the first heat good conductor is pressed and brought into contact with the winding portion by the support,
After the winding part reaches the operating temperature, the first heat good conductor is fixed to the heat insulating layer provided on the surface of the vacuum vessel as non-contact with the winding part by the support,
Energization of the winding is started,
An exciting method is provided.
本発明によると、初期冷却時間を短縮できる超電導磁石装置及び超電導磁石装置の励磁方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a superconducting magnet device and a method of exciting the superconducting magnet device that can shorten the initial cooling time.
A.概要
本実施例は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「超電導磁石装置であって、少なくとも二つ以上の除熱機構が挿入された真空容器の中に超電導コイルが配置され、前記超電導コイルは巻線部とその周囲の低熱伝導部材から構成され、前記巻線部は一部を前記除熱機構と接続された熱良導体と接触されており、前記低熱伝導部材は前記除熱機構とは異なる除熱機構と、前記熱良導体と異なる熱良導体と接続され、前記巻線部と接触した前記熱良導体は前記巻線部から着脱可能であり、前記巻線部から取り外された前記熱良導体は前記真空容器を経由して前記コイル巻線部に固体伝熱経路を有すること」を特徴とする。
本実施例によると、特に高速励磁運転することが可能な大型超電導磁石に対して、室温からの冷却時間を低減することができる。
A. Overview
The present embodiment includes a plurality of means for solving the above-described problems. For example, a superconducting magnet apparatus, in which a superconducting device is installed in a vacuum vessel in which at least two heat removal mechanisms are inserted. A coil is disposed, the superconducting coil is composed of a winding portion and a low heat conduction member around the winding portion, and the winding portion is in contact with a good heat conductor partially connected to the heat removal mechanism, and the low heat conduction The member is connected to a heat removal mechanism different from the heat removal mechanism and a heat good conductor different from the heat good conductor, and the heat good conductor in contact with the winding part is detachable from the winding part, and the winding part The good heat conductor removed from the coil has a solid heat transfer path in the coil winding portion via the vacuum vessel.
According to the present embodiment, the cooling time from room temperature can be reduced particularly for a large superconducting magnet capable of high-speed excitation operation.
以下、実施例を、図面を用いて説明する。
B.超電導磁石装置
Hereinafter, examples will be described with reference to the drawings.
B. Superconducting magnet device
図1は、本発明の実施例1における超電導磁石装置の構成図である。図には、本実施例の超電導磁石装置100の構成を示す断面図の例を示している。以下、本実施例の超電導磁石装置100の主な構成を説明する。
超電導磁石装置100は、超電導コイル101等を収納する真空容器25と、励磁回路81、二つの冷凍機16、23とそれぞれの冷凍機の駆動装置80、83、油圧機構24とその油圧機構制御装置82、それらの装置の制御信号を伝える信号線104、105、106、107および統合制御装置103、装置の状態を監視するモニタ102を備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of a superconducting magnet device according to
The
次に、上述した各構成の役割と詳細な構成例を示す。
真空容器25は容器外と超電導コイル101とを断熱する役割を担っている。真空容器25の中には、締結された荷重支持体26によって超電導コイル101の巻枠12が固定される。図示していないが、真空容器25は、真空ポンプで真空にするためのバルブを有しており、容器内を高真空(例えば、0.1MPa以下)の気圧にして用いられる。真空容器25は、例えば、ステンレスやアルミ合金などの金属、または強化繊維プラスチック(FRP)などから成る公知の極低温用真空容器を用いることができる。また、図示していないが、真空容器25は、真空容器外からの輻射熱を低減するために、輻射シールドを用いた構成としてもよい。
励磁回路81は、超電導磁石装置100を励磁する役割を担っている。励磁回路81には、励磁用の電源や超電導コイル101と並列な保護抵抗など、公知の超電導磁石装置用励磁回路を用いることができる。また、図1中では励磁回路81は真空容器25の外側に記載されているが、励磁回路81の一部が真空容器25の内部に配置されていてもよい。励磁回路81は励磁配線85と接続されており、電流端子17、高温超電導パワーリード13および励磁配線14を介して超電導コイル巻線部11に接続されている。
高温超電導パワーリード13には、例えば、希土類系銅酸化物のバルク体やテープ形状線材からなる公知の高温超電導パワーリードを用いることができる。また、超電導コイル巻線部11は、例えば、ニオブチタンやニオブ三スズ、二硼化マグネシウム、銅酸化物系の高温超電導導体など一般に市販されている超電導導体と樹脂から構成することができる。
Next, the role of each configuration described above and a detailed configuration example will be shown.
The
The
As the high-temperature
冷凍機16は、巻枠12を冷却する役割を担っている。熱良導体15は冷凍機16と巻枠12に締結もしくは接着されており、巻枠12は熱良導体15を介して冷却される。図中は熱良導体15は一つだけ巻枠12に接続されているが、その接続は周方向に複数個所あってもよい。
巻枠12は極低温において電気伝導率が小さい材料からなる。巻枠12は、例えば、ステンレスやアルミ合金などの金属、または強化繊維プラスチック(FRP)などを用いることができる。
冷凍機23は、超電導コイル巻線部11を冷却する役割を担っている。熱良導体21は冷凍機23と熱良導体20に締結もしくは接着されており、超電導コイル巻線部11は熱良導体21を介して冷却される。なお、超電導コイル巻線部11は巻枠12からも冷却されるが、主として熱良導体20を介して冷却される。
熱良導体20、21、15は、例えば、純アルミや無酸素銅などの金属やアルミナや窒化アルミなどのセラミクスを用いることができる。
冷凍機16、23は公知の冷凍機、例えば、ギンツブルグ-マクマホン冷凍機(以下、GM冷凍機という)やスターリング冷凍機、パルス管冷凍機などを含んだ構成とすることができ、それぞれ、冷凍機駆動配線84、87を介して駆動される。
冷凍機の駆動装置80、83には公知の冷凍機に付随した圧縮機や電源、制御装置などが含まれ、冷凍機駆動配線にはガス冷媒線や信号線が含まれる。
The
The
The
For the good
The
The
油圧機構24は着脱式支持体22を介して熱良導体20を超電導コイル巻線部11に押し当てる役割を担っている。油圧機構の制御装置82によって着脱式支持体22の圧力、および上下位置が制御される。油圧機構24は、例えば0.1MPa以上の圧力が印加できれば超電導コイル巻線部の大きさに応じて空気圧もしくは電気制御による適宜の加圧機構を用いることができる。
The
図2は、熱良導体と、それに締結された着脱式支持体の構成を示した図である。図には、着脱式支持体22と熱良導体20の例を示す。熱良導体20の厚さが十分な場合には中心位置に着脱式支持体22が取り付けられる。また、熱良導体20の天板側にはメタル製のOリング88およびねじ穴89が構成されており、断熱層18に熱良導体20が固定された際に、真空容器25内の真空が保持可能となっている(詳細は、後述の図4の説明等を参照。)。なお、Oリング88のかわりに、適宜の真空を保持する部材を用いてもよい。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a good thermal conductor and a detachable support fastened thereto. In the figure, examples of the
図3は、熱良導体と、それに締結された複数の着脱式支持体の構成を示した図である。図には、熱良導体20の厚さが十分でない場合の着脱式支持体202と熱良導体203の例を示す。熱良導体203の天板側にはメタル製のOリング208およびねじ穴209が構成されている。超電導コイル巻線部11への熱良導体203の接触状態のばらつきを低減するために、着脱式支持体202は周方向に2本構成されている。この熱良導体203の形状と着脱式支持体202の本数は真空容器に出入りする熱量によって決まる。そのため、図3では周方向に2本の着脱式支持体202が記載されているが、その本数は2本より多くあってもよい。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a good thermal conductor and a plurality of detachable supports fastened thereto. The figure shows an example of the
次に、本実施例において、高速励磁運転することが可能な超電導磁石装置に対して、統合制御装置103を用いて室温からの冷却時間を低減させられる励磁方法を説明する。
図4は、本発明の実施例1において超電導磁石を、冷却して励磁するフローを示した図である。図には、超電導磁石装置100を室温から冷却し、励磁するまでのフローを示す。
Next, in this embodiment, an excitation method capable of reducing the cooling time from room temperature using the
FIG. 4 is a diagram showing a flow of cooling and exciting the superconducting magnet in the first embodiment of the present invention. The figure shows a flow from cooling the
統合制御装置103は、真空中に配置された熱良導体20と超電導コイル巻線部11との間の熱抵抗を小さくするために、油圧機構24より、荷重を印加し、例えば0.1MPa以上の圧力となるよう、荷重制御で熱良導体20を超電導コイル巻線部11に押し当てる(S101)。統合制御装置103は、荷重一定の制御下で二つの冷凍機16、23を駆動する(S102)。統合制御装置103は、冷却中、荷重を一定に制御することで、冷却される超電導コイル巻線部11の熱収縮に追随して一定の面圧を印加することができる。荷重は、例えば油圧機構24に含まれるロードセルなどの公知のセンサを利用して測定することができる。このとき巻枠12は、例えば、ステンレスやアルミ合金、FRPのように熱伝導率が小さい材料から構成されているため、熱良導体20と比べて熱拡散率が小さく、超電導コイル巻線部11は主に冷凍機23によって吸熱され、冷却される。その後、統合制御装置103は、超電導コイル巻線部11の温度が超電導磁石装置100の運転温度に到達するまで冷凍機16、23を駆動し、超電導コイル巻線部11を冷却する(S103)。超電導コイル巻線部11の温度計測素子は図1中に図示していないが、例えば公知の抵抗温度計や熱電対などを用いることができる。温度計測素子は、例えば超電導コイル巻線部11の外周面などの表面に接着剤やアルミテープなどを介して貼りつけることができる。温度の計測信号は信号線を介して真空容器25外の統合制御装置103に集約され、モニタ102で観察することができる。
The
超電導コイル巻線部11の温度が運転温度に到達後、統合制御装置103は、油圧機構24を使って熱良導体20を超電導コイル巻線部11から離し、上方向に移動する(S104)。油圧機構24を使って、熱良導体20を真空容器25の天板に取り付けた断熱層18に押し当てた状態で、真空容器25の外側から熱良導体20のねじ穴89にボルト90を締結する。このとき、必ずしも必要ないが、鈎状の熱良導体固定具27で、熱良導体20の荷重をサポートすることができる。また、熱良導体20を真空容器25の天板に押し付ける前にはボルト90用の穴は例えばウィルソンシールなどの公知のシール方法により塞ぐことができる(S105)。ボルト締結後、統合制御装置103は、真空容器内への熱侵入量を低減するために着脱式支持体22を取り外す(S106)。なお、着脱式支持体22は真空容器25から完全に取り外してもよいし一部挿入されたままとしておいてもよい。こうしてボルト90を締結することにより、断熱層18に熱良導体20がOリング88を介して固定され、着脱式支持体22の挿入穴又は着脱式支持体22と真空容器25のすき間をふさぎ、真空容器25の真空を保持可能とする。フローには記載していないが、このステップにおいて、冷凍機23を真空容器25から取り外してもよい。なお、ボルト90の締結、及び/又は、熱良導体固定具27による固定、及び/又は、着脱式支持体22の取り外しは、手作業で行ってもよいし、そのための駆動機構を設けることで統合制御装置103等により自動で行うようにしてもよい。
次に、統合制御装置103は、励磁回路81内の励磁電源を作動し、超電導コイル巻線部11を定格電流まで励磁する(S107)。励磁の際、超電導コイル101の電圧および温度を統合制御装置103で集約し、それらが所定の電圧・温度を超えた際には電流供給を遮断し、超電導コイル101内に蓄積されるエネルギーを励磁回路81内の保護回路で消費するように制御されている。
上述のように、一連のフローを統合制御装置103によって制御するが、それぞれを個別に制御してもよい。
After the temperature of the superconducting
Next, the
As described above, a series of flows is controlled by the
次に、熱良導体20を超電導コイル巻線部11に加圧して冷却する場合の効果について言及する。熱良導体を巻枠とする超電導コイルでは渦電流発熱が過大となってしまうため、高速に励磁することが求められる超電導磁石装置では、例えば、巻枠にステンレスなどの電気抵抗の小さい材料を使ってコイル巻線部への入熱量を低減する必要がある。
Next, effects of cooling the
図5は、無酸素銅とステンレスの熱拡散率の違いを示した図である。図には、一例として、代表的な熱良導体である無酸素銅と、巻枠の構成材料となるステンレスの熱拡散率の違いを示す。熱拡散率は同じ厚みの材料から同じ熱量を吸収する際、その冷却速度に比例する値である。この例では、無酸素銅の熱拡散率は室温付近でステンレスの10倍以上であり、極低温になるにつれて、その差は広がり、冷却速度が大きくなることを示している。
したがって、超電導コイル巻線部11を熱良導体20で冷却することは巻枠を介して冷却することよりも十分に冷却速度を向上させる効果を持つ。
また、冷却後、熱良導体20を超電導コイル巻線部11から離し、真空容器25の表面に配置して励磁することの効果について言及する。熱良導体20と超電導コイル101との距離を離すことによって超電導コイル101励磁中に熱良導体20の中に磁束が侵入するが、変動磁場は小さくなり、それにともなって渦電流発熱は小さくなる。さらに熱良導体20は断熱層18および真空容器25、荷重支持体26を介して巻枠12とつながっており、熱良導体20で生じる渦電流発熱のうち、コイル巻線部11への伝熱量は十分に小さくなる。
FIG. 5 is a diagram showing the difference in thermal diffusivity between oxygen-free copper and stainless steel. As an example, the figure shows the difference in thermal diffusivity between oxygen-free copper, which is a typical good thermal conductor, and stainless steel, which is a constituent material of the reel. The thermal diffusivity is a value proportional to the cooling rate when absorbing the same amount of heat from a material having the same thickness. In this example, the thermal diffusivity of oxygen-free copper is 10 times or more that of stainless steel near room temperature, and the difference increases as the temperature becomes extremely low, indicating that the cooling rate increases.
Therefore, cooling the superconducting
In addition, after cooling, the effect of separating the
本実施例では、周方向をより均一に冷却することが可能であり、定格電流通電中の超電導コイルの熱容量を高めることができる超電導磁石装置200の例を説明する。
図6は、実施例2における超電導磁石装置200を示す構成図の例である。
図6の超電導磁石装置200のうち、既に説明した図1および図2に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明および図の一部を省略する。
In the present embodiment, an example of a
FIG. 6 is an example of a configuration diagram illustrating the
In the
本実施例の超電導磁石装置200では、超電導コイル巻線部11の周囲の構成が実施例1の超電導磁石装置100の構成と異なる。
超電導コイル201の巻枠12は荷重支持体26によって真空容器25に固定されている。その巻枠12を軸として、超電導コイル巻線部11が巻きまわされた構成となっている。超電導コイル巻線部11の外周面は所定の厚みのある伝熱抑制部材122に接しており、さらに外側には熱良導体121が配置された構成となっている。熱良導体121が外側に配置されることで伝熱抑制部材122の外周面の温度勾配が抑制され、コイル巻線部11が周方向にわたってより均一な温度となる。
伝熱抑制部材122は、例えば、熱伝導率の小さい材料であるステンレスやアルミ合金、FRPなどで形成することができる。
熱良導体121は励磁中の渦電流発熱を低減するために、周方向の複数個所で不連続となっていることが望ましい。
本実施例では熱良導体120は超電導コイル巻線部11より径方向の幅が大きくなっている。また、例えば、図3に示すような熱良導体208を組み合わせることで、油圧駆動装置24の加圧による片あたりが、抑制することができる。
In the
The winding
The heat
The good
In the present embodiment, the good
次に、励磁中の副次的な効果について述べる。
超電導コイル201を励磁すると、超電導コイル巻線部11は電磁力によって外側に広がろうとする。そのため、伝熱抑制部材122との熱抵抗が小さくなる。一定電流通電中の伝熱抑制部材122は一定の熱容量を持ち、発熱しないため、蓄冷材としての役割を果たす。したがって、停電等で冷凍機16が停止したとしても、保冷時間が長くなり、超電導コイル201が通電中に常伝導転移するまでの時間を延ばすことができる。
Next, secondary effects during excitation will be described.
When the
本実施例では、冷媒を循環することでコイル巻線部を冷却する超電導磁石装置300の例を説明する。
図7は、実施例3における超電導磁石装置300を示す構成図の例である。
図7の超電導磁石装置300のうち、既に説明した図1および図2に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明および図の一部を省略する。
本実施例の超電導磁石装置300では、超電導コイル巻線部11を冷却する熱良導体302を冷媒で冷却させる方法と、それを実現する構成が実施例1の超電導磁石装置100の構成と異なる。
室温からの冷却時、超電導コイル巻線部11に押し当てられる熱良導体302の内部に熱良導体内冷媒流路31を有する構成となっている。
その熱良導体内冷媒流路31を流れる冷媒の循環機構として冷媒循環装置35、39、冷媒流路32、36、38、バルブ34、37を有する構成となっている。冷媒として、例えば液体窒素や液体ネオン、液体水素、液体ヘリウムなどの公知の極低温用冷媒を用いることができる。
In the present embodiment, an example of a
FIG. 7 is an example of a configuration diagram illustrating the
In the
In the
At the time of cooling from room temperature, it has a configuration in which a good heat conductor in-
As a circulation mechanism of the refrigerant flowing through the
図8は、本発明の実施例3において超電導磁石を、冷却して励磁するフローを示した図である。図には、超電導磁石装置300の熱良導体302を、液体窒素を循環させて冷却し、励磁するまでのフローを示す。
統合制御装置103は、真空中に配置された熱良導体302と超電導コイル巻線部11との間の熱抵抗を小さくするために、油圧機構24より、荷重を印加する。統合制御装置103は、例えば0.1MPa以上の圧力となるよう、荷重制御で熱良導体302を超電導コイル巻線部11に押し当てる(S301)。統合制御装置103は、荷重を一定に保った後、冷媒流路バルブ34、37を開放する(S302)。統合制御装置103は、冷媒循環装置35、39により液体窒素を挿入し、熱良導体302内冷媒流路31を通過させる(S303)。冷媒循環装置35、39には、液体窒素容器や加圧装置、ポンプが含まれる。統合制御装置103は、信号線301を介して、加圧装置やポンプを制御する。冷媒循環開始後、統合制御装置103は、冷凍機16の電源を入れ、巻枠12からも冷却を開始する(S304)。超電導コイル巻線部11の温度が液体窒素温度以下になったところでバルブ34、37を順に閉じる(S305)。その後、統合制御装置103は、油圧機構24を使って熱良導体302を超電導コイル巻線部11から離し、上方向に移動する(S306)。実施例1と同様に、真空容器25の天板に取り付けた断熱層18の表面に熱良導体302を固定し、熱良導体302のねじ穴88にボルト90を締結する(S307)。このとき、必ずしも必要ないが、鈎状の熱良導体固定具27で、熱良導体20の荷重をサポートすることができる。また、熱良導体20を真空容器25の天板に押し付ける前にはボルト90用の穴は例えばウィルソンシールなどの公知のシール方法により塞ぐことができる。また、実施例1と同様に、ボルト締結後、真空容器内への熱侵入量を低減するために着脱式支持体22を取り外す(S308)。統合制御装置103は、超電導コイル巻線部11の温度が運転温度に到達するまで冷凍機16による冷却を継続する(S309)。なお、統合制御装置103は、熱良導体302を断熱層18に固定した後、真空容器外からの超電導コイル巻線部11への輻射熱を低減するために、バルブ34、37を再度開放し、液体窒素を循環させ続けてもよい。なお、冷媒流路バルブ34、37の開閉は、手動で行ってもよいし、駆動機構を設けることで統合制御装置103等により自動で行うようにしてもよい。
運転温度に到達後、統合制御装置103は、励磁回路81内の励磁電源を作動し、超電導コイル巻線部11を定格電流まで励磁する(S310)。
FIG. 8 is a diagram showing a flow for cooling and exciting the superconducting magnet in the third embodiment of the present invention. In the figure, a flow from the cooling of the good
The
After reaching the operating temperature, the
本実施例では、巻枠内に冷媒を循環することでコイル巻線部の冷却時間を短縮し、かつ定格電流運転時に熱容量の高い2つの超電導コイルから成る超電導磁石装置400の例を説明する。
図9は、実施例4における超電導磁石装置400を示す構成図の例である。
図9の超電導磁石装置400のうち、既に説明した図1および図2、図7に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明および図の一部を省略する。
本実施例の超電導磁石装置400の実施例1および実施例3の超電導磁石装置と異なる点は、超電導コイル巻線部11の内周側の巻枠をなくし、冷媒が循環する巻枠42−1、42−2が超電導コイル巻線部11−1、11−2の外周側に配置され、かつ二つの超電導コイルが対向している点である。
In the present embodiment, an example of a
FIG. 9 is an example of a configuration diagram illustrating the
In the
The
図10は、本発明の実施例4において超電導磁石を、冷却して励磁するフローを示した図である。図には、実施例4の励磁までのフローを示す。統合制御装置103は、真空中に配置された熱良導体302−1、302−2と超電導コイル巻線部11−1、11−2との間の熱抵抗を小さくするために、油圧機構24より、荷重を印加する。統合制御装置103は、例えば、0.1MPa以上の圧力となるよう、荷重制御で熱良導体302−1、302−2を超電導コイル巻線部11―1、11−2に押し当てる(S301)。統合制御装置103は、荷重を一定に保った後、冷媒流路バルブ34、37を開放する(S302)。統合制御装置103は、冷媒循環装置35、39により液体窒素を挿入し、熱良導体302―1、302−2内冷媒流路31―1、31−2を通過させる(S303)。統合制御装置103は、バルブ46、47を開放し、冷媒循環装置44を使って冷媒である液体ヘリウムを2つの超電導コイルの巻枠42−1、42−2に循環させる(S404)。冷媒循環装置44には、液体ヘリウム容器や加圧装置、ポンプが含まれる。
超電導コイル巻線部11―1、11−2の温度が、例えば液体窒素の沸点の温度以下等の予め定められた温度になったところでバルブ34、37を順に閉じる(S305)。その後、統合制御装置103は、油圧機構24を使って熱良導体302−1、302−2を超電導コイル巻線部11―1、11−2から離し、それぞれ上方向、下方向に移動する(S306)。実施例1と同様に、真空容器25の天板に取り付けた断熱層18の表面に熱良導体302を固定し、熱良導体302のねじ穴88にボルト90を締結する(S307)。このとき、必ずしも必要ないが、鈎状の熱良導体固定具27で、熱良導体20の荷重をサポートすることができる。また、熱良導体20を真空容器25の天板に押し付ける前にはボルト90用の穴は例えばウィルソンシールなどの公知のシール方法により塞ぐことができる。また、実施例1と同様に、ボルト締結後、真空容器内への熱侵入量を低減するために着脱式支持体22を取り外す(S308)。統合制御装置103は、バルブ46、47は開放したまま、液体ヘリウムを循環させ続け(S409)、超電導コイル巻線部11―1、11−2が運転温度に到達後、超電導コイル巻線部11−1、11−2を励磁する(S310)。
FIG. 10 is a diagram showing a flow of cooling and exciting the superconducting magnet in the fourth embodiment of the present invention. The figure shows the flow up to the excitation of the fourth embodiment. The
When the temperature of the superconducting coil winding portions 11-1 and 11-2 reaches a predetermined temperature such as a temperature equal to or lower than the boiling point of liquid nitrogen, the
冷媒循環による冷却は公知の冷凍機による伝導冷却方式と比較して十分に冷却速度が速いことは公知技術であり、本実施例は、実施例1および3と比較して十分な効果を持つことは明らかである。本実施例では冷媒として液体ヘリウムを用いたが、液体窒素や液体ネオン、液体水素などの公知の極低温用冷媒を用いることができる。なお、熱良導体内冷媒流路31−1、31−2の冷媒の沸点以下の温度を沸点に持つ冷媒を巻枠内冷媒流路41−1、41−2に用いてもよい。
2つの超電導コイルをヘルムホルツ状に励磁すると、図9に示す電磁力の向き43−1、43−2に超電導コイル巻線部11―1、11−2が変位する。したがって、超電導コイル巻線部11―1、11−2から巻枠42―1、42−2への加圧力が大きくなり、その間の熱抵抗が小さくなる。定格運転中は通電電流が一定であり、巻枠42―1、42−2および冷媒は蓄冷材として働き、冷媒循環装置が停止した際に超電導コイル巻線部11―1、11−2の常伝導転移までの時間を延ばすことができる。
Cooling by refrigerant circulation is a well-known technique that the cooling rate is sufficiently fast compared to a conduction cooling method using a known refrigerator, and this example has a sufficient effect compared to Examples 1 and 3. Is clear. In this embodiment, liquid helium is used as the refrigerant. However, a known cryogenic refrigerant such as liquid nitrogen, liquid neon, or liquid hydrogen can be used. In addition, you may use the refrigerant | coolant which has the temperature below the boiling point of the refrigerant | coolant of the refrigerant | coolant flow paths 31-1 and 31-2 in a good thermal conductor for the refrigerant | coolant flow paths 41-1 and 41-2 in a reel.
When the two superconducting coils are excited in a Helmholtz shape, the superconducting coil windings 11-1 and 11-2 are displaced in the electromagnetic force directions 43-1 and 43-2 shown in FIG. Therefore, the pressure applied to the winding frames 42-1 and 42-2 from the superconducting coil winding portions 11-1 and 11-2 increases, and the thermal resistance therebetween decreases. During the rated operation, the energization current is constant, the reels 42-1 and 42-2 and the refrigerant function as a cold storage material, and the superconducting coil windings 11-1 and 11-2 are always in operation when the refrigerant circulation device is stopped. The time until the conduction transition can be extended.
C.付記
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれている。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
C. Appendix
In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit. Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor. Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a memory, a hard disk, a recording device such as an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
Further, the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
11、11−1、11−2 超電導コイル巻線部
12 巻枠
13 高温超電導パワーリード
14、85 励磁配線
15、20、21、120、121、203、302、302−1、302−2 熱良導体
16、23 冷凍機
17 電流端子
18 断熱層
22、22−1、22−2、202 着脱式支持体
24 油圧機構
25 真空容器
26、45 荷重支持体
27 熱良導体固定具
31、31−1,31−2 熱良導体内冷媒流路
32 ガイド
33、36、38 冷媒流路
34、37,46、47 バルブ
35、39、44 冷媒循環装置
41−1、41−2 巻枠内冷媒流路
42、42−1、42−2 巻枠
43 電磁力の向き
80、83 冷凍機駆動装置
81 励磁回路
82 油圧機構制御装置
84、87 冷凍機駆動配線
86 油圧機構制御信号線
88、208 Оリング
89 ねじ穴
90 ボルト
100 超電導磁石装置
101、201 超電導コイル
102 モニタ
103 統合制御装置
104、105、106、107、301 信号線
122 伝熱抑制部材
11, 11-1, 11-2 Superconducting
Claims (15)
真空容器と、
第一及び第二の除熱機構と、
超電導の巻線部と、前記第二の除熱機構と接続された前記巻線部の巻枠とを有し、前記真空容器の中に配置された超電導コイルと、
前記第一の除熱機構と接続され、前記巻線部と接触及び非接触に駆動可能であり、前記巻線部の一部と接触した状態で前記第一の除熱機構により前記巻線部を除熱し、前記巻線部と非接触とした状態で前記真空容器に固定されるように構成された、第一の熱良導体と、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と接触及び非接触に駆動するための支持体と、
を備えた超電導磁石装置。 A superconducting magnet device,
A vacuum vessel;
First and second heat removal mechanisms;
A superconducting coil having a superconducting winding part and a winding frame of the winding part connected to the second heat removal mechanism, and disposed in the vacuum vessel;
It is connected to the first heat removal mechanism, can be driven in contact with and non-contact with the winding part, and the winding part is in contact with a part of the winding part by the first heat removal mechanism. A first heat good conductor configured to be fixed to the vacuum vessel in a state of non-contact with the winding portion, and
A support for driving the first good thermal conductor in contact and non-contact with the winding; and
A superconducting magnet device.
前記第一の熱良導体は、前記真空容器の側にOリング又は他の真空を保持する部材を有することを特徴とする超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 1,
The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the first good thermal conductor has an O-ring or another member for holding a vacuum on the side of the vacuum vessel.
前記第一の熱良導体は、前記支持体と取り外し可能に締結されたことを特徴とする超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 1,
The superconducting magnet device, wherein the first good thermal conductor is detachably fastened to the support.
前記第一の熱良導体を前記支持体により前記巻線部に加圧する加圧機構を、
さらに備えたことを特徴とする超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 1,
A pressurizing mechanism for pressurizing the first thermal good conductor to the winding portion by the support;
A superconducting magnet device further comprising the superconducting magnet device.
前記真空容器の内面に、前記第一の熱良導体が前記巻線部と非接触に駆動された際の前記第一の熱良導体を固定し、真空を保持するための断熱層及び/又は固定部を、
さらに備えたことを特徴とする超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 1,
On the inner surface of the vacuum vessel, the first heat good conductor is fixed when the first heat good conductor is driven in non-contact with the winding part, and a heat insulating layer and / or a fixing part for maintaining a vacuum The
A superconducting magnet device further comprising the superconducting magnet device.
前記巻線部の外周面に接した伝熱抑制部材と、
前記伝熱抑制部材の外側に配置された第二の熱良導体と、
をさらに備えたことを特徴とする超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 1,
A heat transfer suppression member in contact with the outer peripheral surface of the winding portion;
A second heat good conductor disposed outside the heat transfer suppressing member;
A superconducting magnet device further comprising:
前記第二の熱良導体は、周方向に不連続体となっていることを特徴とする超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 6,
The superconducting magnet device, wherein the second good thermal conductor is a discontinuous body in the circumferential direction.
前記第一の熱良導体は、内部に第一の冷媒流路を有し、
前記第一の除熱機構は、第一の冷媒を前記第一の冷媒流路に循環させることにより、前記第一の熱良導体を冷却することを特徴とする超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 1,
The first good thermal conductor has a first refrigerant flow path inside,
The first heat removal mechanism cools the first good heat conductor by circulating a first refrigerant in the first refrigerant flow path, and is a superconducting magnet device.
前記巻枠は、内部に第二の冷媒流路を有し、
前記第二の除熱機構は、第二の冷媒を前記第二の冷媒流路に循環させることにより、前記巻枠を冷却することを特徴とする超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 1,
The winding frame has a second refrigerant channel inside,
The superconducting magnet device, wherein the second heat removal mechanism cools the winding frame by circulating a second refrigerant through the second refrigerant flow path.
前記第一の熱良導体と前記巻線部の接触する断面において、前記第一の熱良導体の幅が前記巻線部よりも大きいことを特徴とする超電導磁石装置。
The superconducting magnet device according to claim 1,
A superconducting magnet apparatus, wherein a width of the first good heat conductor is larger than that of the winding part in a cross section where the first good heat conductor and the winding part are in contact with each other.
前記超電導磁石装置は、
真空容器と、
第一及び第二の除熱機構と、
超電導の巻線部と、前記第二の除熱機構と接続された前記巻線部の巻枠とを有し、前記真空容器の中に配置された超電導コイルと、
前記第一の除熱機構と接続され、前記巻線部と接触及び非接触に駆動可能であり、前記巻線部の一部と接触した状態で前記第一の除熱機構により前記巻線部を除熱し、前記巻線部と非接触とした状態で前記真空容器に固定されるように構成された、第一の熱良導体と、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と接触及び非接触に駆動するための支持体と、
を備え、
前記第一の徐熱機構による前記巻線部の冷却時に、前記支持体により前記第一の熱良導体を前記巻線部に加圧して接触させ、
前記巻線部が運転温度に到達後、前記支持体により前記第一の熱良導体を前記巻線部と非接触として前記真空容器の面に設けられた断熱層に固定し、
前記巻線部に通電を開始する、
ことを特徴とする励磁方法。 A method of exciting a superconducting magnet device,
The superconducting magnet device is:
A vacuum vessel;
First and second heat removal mechanisms;
A superconducting coil having a superconducting winding part and a winding frame of the winding part connected to the second heat removal mechanism, and disposed in the vacuum vessel;
It is connected to the first heat removal mechanism, can be driven in contact with and non-contact with the winding part, and the winding part is in contact with a part of the winding part by the first heat removal mechanism. A first heat good conductor configured to be fixed to the vacuum vessel in a state of non-contact with the winding portion, and
A support for driving the first good thermal conductor in contact and non-contact with the winding; and
With
When cooling the winding portion by the first gradual heating mechanism, the first heat good conductor is pressed and brought into contact with the winding portion by the support,
After the winding part reaches the operating temperature, the first heat good conductor is fixed to the heat insulating layer provided on the surface of the vacuum vessel as non-contact with the winding part by the support,
Energization of the winding is started,
An excitation method characterized by that.
前記巻線部の冷却時に、前記第一の熱良導体を前記巻線部に加圧した後、前記第一の徐熱機構により前記第一の熱良導体の内部に設けられた第一の冷媒流路に第一の冷媒を循環させ、前記第一の徐熱機構により前記巻線部を冷却し
前記巻線部が予め定められた冷媒温度に到達後、前記第一の徐熱機構による第一の冷媒の循環を停止させ、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と非接触として前記真空容器の面に設けられた断熱層に固定した後、前記第二の除熱機構により前記巻線部と接触した前記巻枠を介して前記巻線部を継続して冷却し、
前記巻線部が運転温度に到達後、前記巻線部に通電を開始する、
ことを特徴とする励磁方法。 The excitation method according to claim 11, comprising:
A first refrigerant flow provided inside the first good heat conductor by the first slow heating mechanism after pressurizing the first good heat conductor to the winding part during cooling of the winding part. A first refrigerant is circulated through the passage, the winding portion is cooled by the first gradual heating mechanism, and after the winding portion reaches a predetermined refrigerant temperature, the first gradual heating mechanism first Stop the circulation of the refrigerant,
The first thermal good conductor is fixed to a heat insulating layer provided on the surface of the vacuum vessel so as not to be in contact with the winding portion, and then the winding frame in contact with the winding portion by the second heat removal mechanism Through which the winding is continuously cooled,
After the winding part reaches the operating temperature, energization of the winding part is started.
An excitation method characterized by that.
前記巻線部の冷却時に、前記第一の熱良導体を前記巻線部に加圧した後、前記第一の徐熱機構により前記第一の熱良導体の内に設けられた第一の冷媒流路に第一の冷媒を循環させ、
前記第二の徐熱機構により、前記巻枠の内部に設けられた第二の冷媒流路に第二の冷媒を循環させ、
前記巻線部が予め定められた温度に到達後、前記第一の徐熱機構による前記第一の熱良導体の内部の前記第一の冷媒流路の前記第一の冷媒の循環を停止させ、
前記第一の熱良導体を前記真空容器の面に設けられた断熱層に固定した後、前記第二の徐熱機構により前記巻枠の内部の前記第二の冷媒流路に第二の冷媒を継続して循環させ、
前記巻線部が運転温度に到達後、前記巻線部に通電を開始する、
ことを特徴とする励磁方法。 The excitation method according to claim 11, comprising:
A first refrigerant flow provided in the first good thermal conductor by the first slow heating mechanism after pressurizing the first good thermal conductor to the winding part during cooling of the winding part. Circulating the first refrigerant in the path,
By the second gradual heating mechanism, the second refrigerant is circulated through the second refrigerant flow path provided inside the reel,
After the winding portion reaches a predetermined temperature, the circulation of the first refrigerant in the first refrigerant flow path inside the first good thermal conductor by the first slow heating mechanism is stopped,
After fixing the first heat good conductor to the heat insulating layer provided on the surface of the vacuum vessel, the second refrigerant is supplied to the second refrigerant flow path inside the reel by the second slow heating mechanism. Circulate continuously,
After the winding part reaches the operating temperature, energization of the winding part is started.
An excitation method characterized by that.
前記第一の熱良導体を固定した後、前記第一の熱良導体に締結された前記支持体を取り外した後に、前記巻線部に通電を開始する励磁方法。 The excitation method according to claim 11, comprising:
An excitation method for starting energization of the winding portion after fixing the first good heat conductor and then removing the support fastened to the first good heat conductor.
前記第一の熱良導体を前記巻線部に荷重一定制御下で加圧して接触させることを特徴とする励磁方法。 The excitation method according to claim 11, comprising:
An excitation method, wherein the first good thermal conductor is pressed and brought into contact with the winding portion under a constant load control.
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JP2021009914A (en) * | 2019-07-01 | 2021-01-28 | 株式会社東芝 | Superconducting magnet device and control method thereof |
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2017
- 2017-01-30 JP JP2017014355A patent/JP2018125338A/en active Pending
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