JP2018125338A

JP2018125338A - Superconducting magnet device and excitation method of superconducting magnet device

Info

Publication number: JP2018125338A
Application number: JP2017014355A
Authority: JP
Inventors: 照久宮副; Teruhisa Miyafuku
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2017-01-30
Publication date: 2018-08-09

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To shorten an initial cooling time in a large superconducting magnet that can be excited at high speed.SOLUTION: A superconducting coil 101 is disposed in a vacuum vessel 25 in which at least two or more heat removal mechanisms are inserted, a winding portion 11 of the superconducting coil 101 and a winding frame 12 therearound are cooled by different heat transfer paths, a good thermal conductor 20 which is the heat transfer path of the winding portion 11 can be detachable from the winding portion 11, and the good thermal conductor 20 removed from the winding portion 11 has a solid heat transfer path in the coil winding portion 11 via the vacuum vessel 25.SELECTED DRAWING: Figure 1

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, Patent Document 1 relates to FIG. 3 that “a magnetic field is generated when a current is supplied to the superconducting coil 101 after cooling, and an eddy current induced by the generated magnetic field. The eddy current density can be reduced by inserting the insulating material 23 "(paragraph 0032).

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.

国際公開ＷＯ２０１５／１８９８８１号International Publication No. WO2015 / 189881 特開２０１５−１７９７９１号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-179791

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 Patent Document 1, even if the heat good conductor for cooling the superconducting coil winding portion has a discontinuous structure, the excitation speed can be controlled by the eddy current heat generation of the heat good conductor.
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.

本発明の実施例１における超電導磁石装置の構成図。The block diagram of the superconducting magnet apparatus in Example 1 of this invention. 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。The figure which showed the structure of the thermal good conductor and the detachable support body fastened to it. 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。The figure which showed the structure of the heat good conductor and the some detachable support body fastened to it. 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。The figure which showed the flow which cools and excites a superconducting magnet in Example 1 of this invention. 無酸素銅とステンレスの熱拡散率の違いを示した図。The figure which showed the difference in the thermal diffusivity of oxygen free copper and stainless steel. 本発明の実施例２における超電導磁石装置の構成図。The block diagram of the superconducting magnet apparatus in Example 2 of this invention. 本発明の実施例３における超電導磁石装置の構成図。The block diagram of the superconducting magnet apparatus in Example 3 of this invention. 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。The figure which showed the flow which cools and excites a superconducting magnet in Example 3 of this invention. 本発明の実施例４における超電導磁石装置の構成を示した図。The figure which showed the structure of the superconducting magnet apparatus in Example 4 of this invention. 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。The figure which showed the flow which cools and excites a superconducting magnet in Example 4 of this invention.

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 Embodiment 1 of the present invention. The figure shows an example of a cross-sectional view showing the configuration of the superconducting magnet device 100 of the present embodiment. Hereinafter, the main structure of the superconducting magnet apparatus 100 of the present embodiment will be described.
The superconducting magnet device 100 includes a vacuum vessel 25 that houses a superconducting coil 101 and the like, an excitation circuit 81, two refrigerators 16 and 23, driving devices 80 and 83 of the respective refrigerators, a hydraulic mechanism 24, and a hydraulic mechanism control device thereof. 82, signal lines 104, 105, 106, and 107 for transmitting control signals of these devices, an integrated control device 103, and a monitor 102 for monitoring the status of the devices.

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 vacuum vessel 25 plays a role of insulating the outside of the vessel and the superconducting coil 101. In the vacuum vessel 25, the winding frame 12 of the superconducting coil 101 is fixed by the fastened load support 26. Although not shown, the vacuum vessel 25 has a valve for evacuating with a vacuum pump, and the inside of the vessel is used at a high vacuum (for example, 0.1 MPa or less). As the vacuum vessel 25, for example, a known cryogenic vacuum vessel made of metal such as stainless steel or aluminum alloy, or reinforced fiber plastic (FRP) can be used. Although not shown, the vacuum vessel 25 may have a configuration using a radiation shield in order to reduce radiant heat from outside the vacuum vessel.
The excitation circuit 81 plays a role of exciting the superconducting magnet device 100. As the excitation circuit 81, a known excitation circuit for a superconducting magnet device such as an excitation power source or a protective resistor in parallel with the superconducting coil 101 can be used. In FIG. 1, the excitation circuit 81 is described outside the vacuum vessel 25, but a part of the excitation circuit 81 may be disposed inside the vacuum vessel 25. The excitation circuit 81 is connected to the excitation wiring 85, and is connected to the superconducting coil winding portion 11 through the current terminal 17, the high-temperature superconducting power lead 13 and the excitation wiring 14.
As the high-temperature superconducting power lead 13, for example, a known high-temperature superconducting power lead made of a rare earth-based copper oxide bulk body or a tape-shaped wire can be used. The superconducting coil winding portion 11 can be made of a generally available superconducting conductor such as niobium titanium, niobium tritin, magnesium diboride, or a copper oxide-based high-temperature superconducting conductor, and a resin.

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 refrigerator 16 plays a role of cooling the reel 12. The good heat conductor 15 is fastened or bonded to the refrigerator 16 and the reel 12, and the reel 12 is cooled via the good heat conductor 15. Although only one good thermal conductor 15 is connected to the winding frame 12 in the figure, there may be a plurality of connections in the circumferential direction.
The reel 12 is made of a material having a low electrical conductivity at an extremely low temperature. The reel 12 can be made of, for example, a metal such as stainless steel or an aluminum alloy, or reinforced fiber plastic (FRP).
The refrigerator 23 plays a role of cooling the superconducting coil winding portion 11. The good heat conductor 21 is fastened or bonded to the refrigerator 23 and the good heat conductor 20, and the superconducting coil winding portion 11 is cooled via the good heat conductor 21. The superconducting coil winding portion 11 is also cooled from the winding frame 12, but is mainly cooled via the heat good conductor 20.
For the good thermal conductors 20, 21, and 15, for example, a metal such as pure aluminum or oxygen-free copper, or a ceramic such as alumina or aluminum nitride can be used.
The refrigerators 16 and 23 can be configured to include known refrigerators, such as a Ginzburg-McMahon refrigerator (hereinafter referred to as GM refrigerator), a Stirling refrigerator, a pulse tube refrigerator, and the like. It is driven through drive wirings 84 and 87.
The refrigerator driving devices 80 and 83 include a compressor, a power supply, a control device, and the like associated with a known refrigerator, and the refrigerator driving wiring includes a gas refrigerant line and a signal line.

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 hydraulic mechanism 24 plays a role of pressing the heat good conductor 20 against the superconducting coil winding portion 11 via the detachable support 22. The pressure of the detachable support 22 and the vertical position are controlled by the control device 82 of the hydraulic mechanism. As the hydraulic mechanism 24, for example, if a pressure of 0.1 MPa or more can be applied, an appropriate pressurizing mechanism by air pressure or electrical control can be used according to the size of the superconducting coil winding portion.

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 detachable support body 22 and the heat good conductor 20 are shown. When the thickness of the good thermal conductor 20 is sufficient, the removable support 22 is attached to the center position. Further, a metal O-ring 88 and a screw hole 89 are formed on the top plate side of the good heat conductor 20, and the vacuum inside the vacuum container 25 can be held when the good heat conductor 20 is fixed to the heat insulating layer 18. (For details, see the description of FIG. 4 described later). Instead of the O-ring 88, a member that holds an appropriate vacuum may be used.

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 detachable support body 202 and the heat good conductor 203 when the thickness of the heat good conductor 20 is not sufficient. A metal O-ring 208 and a screw hole 209 are formed on the top plate side of the good thermal conductor 203. In order to reduce variation in the contact state of the good thermal conductor 203 with the superconducting coil winding part 11, two detachable supports 202 are formed in the circumferential direction. The shape of the good thermal conductor 203 and the number of the detachable supports 202 are determined by the amount of heat entering and leaving the vacuum vessel. Therefore, although two detachable supports 202 are illustrated in FIG. 3 in the circumferential direction, the number may be more than two.

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 integrated control device 103 will be described for a superconducting magnet device capable of high-speed excitation operation.
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 superconducting magnet device 100 from room temperature to excitation.

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 integrated control device 103 applies a load from the hydraulic mechanism 24 in order to reduce the thermal resistance between the good thermal conductor 20 and the superconducting coil winding portion 11 arranged in a vacuum, for example, 0.1 MPa or more. The heat good conductor 20 is pressed against the superconducting coil winding part 11 by load control so as to be pressure (S101). The integrated control device 103 drives the two refrigerators 16 and 23 under control with a constant load (S102). The integrated control device 103 can apply a constant surface pressure following the thermal contraction of the superconducting coil winding portion 11 to be cooled by controlling the load to be constant during cooling. The load can be measured using a known sensor such as a load cell included in the hydraulic mechanism 24, for example. At this time, the winding frame 12 is made of a material having low thermal conductivity such as stainless steel, aluminum alloy, FRP, etc., and therefore has a lower thermal diffusivity than the heat good conductor 20, and the superconducting coil winding portion 11 is The heat is absorbed mainly by the refrigerator 23 and cooled. Thereafter, the integrated control device 103 drives the refrigerators 16 and 23 until the temperature of the superconducting coil winding unit 11 reaches the operating temperature of the superconducting magnet device 100, thereby cooling the superconducting coil winding unit 11 (S103). Although the temperature measuring element of the superconducting coil winding portion 11 is not shown in FIG. 1, for example, a known resistance thermometer or thermocouple can be used. The temperature measuring element can be attached to a surface such as the outer peripheral surface of the superconducting coil winding portion 11 via an adhesive or aluminum tape, for example. The temperature measurement signals are collected in the integrated control device 103 outside the vacuum vessel 25 via the signal line and can be observed on the monitor 102.

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 coil winding part 11 reaches the operating temperature, the integrated control device 103 separates the good thermal conductor 20 from the superconducting coil winding part 11 using the hydraulic mechanism 24 and moves it upward (S104). Using the hydraulic mechanism 24, the bolt 90 is fastened from the outside of the vacuum vessel 25 to the screw hole 89 of the good heat conductor 20 while the good heat conductor 20 is pressed against the heat insulating layer 18 attached to the top plate of the vacuum vessel 25. At this time, although not necessarily required, the load of the good heat conductor 20 can be supported by the bowl-like good heat conductor fixture 27. Further, before the good heat conductor 20 is pressed against the top plate of the vacuum vessel 25, the hole for the bolt 90 can be closed by a known sealing method such as Wilson seal (S105). After the bolts are tightened, the integrated control device 103 removes the detachable support body 22 in order to reduce the amount of heat penetration into the vacuum vessel (S106). The removable support 22 may be completely removed from the vacuum vessel 25 or may be partially inserted. By fastening the bolt 90 in this manner, the good thermal conductor 20 is fixed to the heat insulating layer 18 via the O-ring 88, and the insertion hole of the detachable support 22 or the gap between the detachable support 22 and the vacuum vessel 25 is closed, and the vacuum The vacuum of the container 25 can be maintained. Although not described in the flow, the refrigerator 23 may be removed from the vacuum vessel 25 in this step. The fastening of the bolt 90 and / or the fixing with the good thermal conductor fixing device 27 and / or the removal of the detachable support 22 may be performed manually or integrated by providing a driving mechanism therefor. You may make it perform automatically by the control apparatus 103 grade | etc.,.
Next, the integrated control device 103 operates the excitation power supply in the excitation circuit 81 to excite the superconducting coil winding portion 11 to the rated current (S107). At the time of excitation, the voltage and temperature of the superconducting coil 101 are collected by the integrated control device 103, and when they exceed a predetermined voltage / temperature, the current supply is cut off, and the energy accumulated in the superconducting coil 101 is excited. It is controlled so as to be consumed by the protection circuit in the circuit 81.
As described above, a series of flows is controlled by the integrated control apparatus 103, but each may be controlled individually.

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 good heat conductor 20 by pressurizing the superconducting coil winding portion 11 will be described. In a superconducting coil with a good thermal conductor, the eddy current heat generation becomes excessive, so in a superconducting magnet device that requires high-speed excitation, for example, a material with low electrical resistance such as stainless steel is used for the reel. It is necessary to reduce the amount of heat input to the coil winding part.

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 coil winding portion 11 with the good thermal conductor 20 has the effect of sufficiently improving the cooling rate as compared with cooling via the winding frame.
In addition, after cooling, the effect of separating the good heat conductor 20 from the superconducting coil winding portion 11 and arranging it on the surface of the vacuum vessel 25 for excitation will be mentioned. By separating the good thermal conductor 20 from the superconducting coil 101, magnetic flux penetrates into the good thermal conductor 20 during excitation of the superconducting coil 101, but the variable magnetic field is reduced, and the eddy current heat generation is reduced accordingly. Further, the good thermal conductor 20 is connected to the winding frame 12 through the heat insulating layer 18, the vacuum vessel 25, and the load support 26, and among the eddy current heat generated in the good thermal conductor 20, the heat transfer amount to the coil winding portion 11 is sufficient. Becomes smaller.

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 superconducting magnet device 200 that can cool the circumferential direction more uniformly and can increase the heat capacity of the superconducting coil during energization of the rated current will be described.
FIG. 6 is an example of a configuration diagram illustrating the superconducting magnet device 200 according to the second embodiment.
In the superconducting magnet device 200 of FIG. 6, the description and a part of the drawing are omitted with respect to the components having the same functions as those already described with reference to FIGS. 1 and 2. .

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 superconducting magnet device 200 of the present embodiment, the configuration around the superconducting coil winding portion 11 is different from the configuration of the superconducting magnet device 100 of the first embodiment.
The winding frame 12 of the superconducting coil 201 is fixed to the vacuum vessel 25 by a load support 26. The superconducting coil winding portion 11 is wound around the winding frame 12 as an axis. The outer peripheral surface of the superconducting coil winding portion 11 is in contact with a heat transfer suppressing member 122 having a predetermined thickness, and a heat good conductor 121 is arranged on the outer side. By disposing the good thermal conductor 121 on the outside, the temperature gradient of the outer peripheral surface of the heat transfer suppressing member 122 is suppressed, and the coil winding portion 11 has a more uniform temperature in the circumferential direction.
The heat transfer suppressing member 122 can be formed of, for example, stainless steel, aluminum alloy, FRP, or the like, which is a material having low thermal conductivity.
The good thermal conductor 121 is preferably discontinuous at a plurality of locations in the circumferential direction in order to reduce eddy current heat generation during excitation.
In the present embodiment, the good thermal conductor 120 has a larger radial width than the superconducting coil winding portion 11. Further, for example, by combining a good thermal conductor 208 as shown in FIG.

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 superconducting coil 201 is excited, the superconducting coil winding portion 11 tends to spread outward by electromagnetic force. Therefore, the thermal resistance with the heat transfer suppressing member 122 is reduced. The heat transfer suppressing member 122 that is energized with a constant current has a constant heat capacity and does not generate heat, and thus serves as a cold storage material. Therefore, even if the refrigerator 16 is stopped due to a power failure or the like, the cold insulation time becomes longer, and the time until the superconducting coil 201 undergoes normal conduction transition during energization can be extended.

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 superconducting magnet device 300 that cools a coil winding portion by circulating a refrigerant will be described.
FIG. 7 is an example of a configuration diagram illustrating the superconducting magnet device 300 according to the third embodiment.
In the superconducting magnet device 300 in FIG. 7, the description and part of the drawing are omitted with respect to the components having the same functions as those already described in FIG. 1 and FIG. .
In the superconducting magnet device 300 of the present embodiment, the method of cooling the good thermal conductor 302 that cools the superconducting coil winding portion 11 with a refrigerant and the configuration for realizing it are different from the configuration of the superconducting magnet device 100 of the first embodiment.
At the time of cooling from room temperature, it has a configuration in which a good heat conductor in-coolant flow path 31 is provided inside the good heat conductor 302 pressed against the superconducting coil winding portion 11.
As a circulation mechanism of the refrigerant flowing through the refrigerant conduit 31 in the good thermal conductor, the refrigerant circulation devices 35 and 39, the refrigerant channels 32, 36 and 38, and the valves 34 and 37 are provided. As the refrigerant, for example, a known cryogenic refrigerant such as liquid nitrogen, liquid neon, liquid hydrogen, or liquid helium can be used.

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 thermal conductor 302 of the superconducting magnet device 300 to the excitation by circulating liquid nitrogen is shown.
The integrated control device 103 applies a load from the hydraulic mechanism 24 in order to reduce the thermal resistance between the good thermal conductor 302 and the superconducting coil winding portion 11 arranged in a vacuum. The integrated control device 103 presses the heat good conductor 302 against the superconducting coil winding part 11 by load control so that the pressure becomes, for example, 0.1 MPa or more (S301). The integrated control apparatus 103 opens the refrigerant flow path valves 34 and 37 after keeping the load constant (S302). The integrated control device 103 inserts liquid nitrogen by the refrigerant circulation devices 35 and 39 and passes the refrigerant flow channel 31 in the good heat conductor 302 (S303). The refrigerant circulation devices 35 and 39 include a liquid nitrogen container, a pressurizing device, and a pump. The integrated control device 103 controls the pressurizing device and the pump via the signal line 301. After starting the circulation of the refrigerant, the integrated control device 103 turns on the power of the refrigerator 16 and starts cooling from the reel 12 (S304). When the temperature of the superconducting coil winding portion 11 becomes equal to or lower than the liquid nitrogen temperature, the valves 34 and 37 are closed in order (S305). Thereafter, the integrated control device 103 moves the heat good conductor 302 away from the superconducting coil winding portion 11 using the hydraulic mechanism 24 and moves upward (S306). As in the first embodiment, the heat good conductor 302 is fixed to the surface of the heat insulating layer 18 attached to the top plate of the vacuum vessel 25, and the bolt 90 is fastened to the screw hole 88 of the heat good conductor 302 (S307). At this time, although not necessarily required, the load of the good heat conductor 20 can be supported by the bowl-like good heat conductor fixture 27. Further, before the good heat conductor 20 is pressed against the top plate of the vacuum vessel 25, the hole for the bolt 90 can be closed by a known sealing method such as a Wilson seal. Similarly to the first embodiment, after the bolt is tightened, the detachable support 22 is removed in order to reduce the amount of heat entering the vacuum vessel (S308). The integrated control device 103 continues cooling by the refrigerator 16 until the temperature of the superconducting coil winding portion 11 reaches the operating temperature (S309). The integrated controller 103 opens the valves 34 and 37 again after fixing the heat good conductor 302 to the heat insulation layer 18 and then reduces the radiant heat from the outside of the vacuum vessel to the superconducting coil winding part 11. Nitrogen may be circulated continuously. Note that the refrigerant flow path valves 34 and 37 may be opened and closed manually or automatically by the integrated control device 103 or the like by providing a drive mechanism.
After reaching the operating temperature, the integrated control device 103 activates the excitation power source in the excitation circuit 81 to excite the superconducting coil winding portion 11 to the rated current (S310).

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 superconducting magnet device 400 that includes two superconducting coils that shorten the cooling time of the coil winding portion by circulating the refrigerant in the winding frame and that has a high heat capacity during rated current operation will be described.
FIG. 9 is an example of a configuration diagram illustrating the superconducting magnet device 400 according to the fourth embodiment.
In the superconducting magnet device 400 shown in FIG. 9, the parts having the same functions as those shown in FIGS. 1 and 2 and FIG. Is omitted.
The superconducting magnet device 400 of the present embodiment is different from the superconducting magnet device of the first and third embodiments in that the winding frame on the inner peripheral side of the superconducting coil winding portion 11 is eliminated, and the winding frame 42-1 in which the refrigerant circulates. 42-2 are arranged on the outer peripheral side of the superconducting coil winding portions 11-1 and 11-2, and the two superconducting coils are opposed to each other.

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 integrated control device 103 uses a hydraulic mechanism 24 to reduce the thermal resistance between the good thermal conductors 302-1 and 302-2 and the superconducting coil windings 11-1 and 11-2 arranged in a vacuum. Apply a load. For example, the integrated control device 103 presses the heat good conductors 302-1 and 302-2 against the superconducting coil winding portions 11-1 and 11-2 by load control so that the pressure becomes 0.1 MPa or more (S301). The integrated control apparatus 103 opens the refrigerant flow path valves 34 and 37 after keeping the load constant (S302). The integrated control device 103 inserts liquid nitrogen by the refrigerant circulation devices 35 and 39, and passes the refrigerant flow channels 31-1 and 31-2 in the heat good conductors 302-1 and 302-2 (S303). The integrated control device 103 opens the valves 46 and 47 and circulates the liquid helium, which is a refrigerant, to the two superconducting coil windings 42-1 and 42-2 using the refrigerant circulation device 44 (S404). The refrigerant circulation device 44 includes a liquid helium container, a pressurizing device, and a pump.
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 valves 34 and 37 are sequentially closed (S305). Thereafter, the integrated control device 103 uses the hydraulic mechanism 24 to separate the good thermal conductors 302-1 and 302-2 from the superconducting coil winding portions 11-1 and 11-2 and move upward and downward, respectively (S306). ). As in the first embodiment, the heat good conductor 302 is fixed to the surface of the heat insulating layer 18 attached to the top plate of the vacuum vessel 25, and the bolt 90 is fastened to the screw hole 88 of the heat good conductor 302 (S307). At this time, although not necessarily required, the load of the good heat conductor 20 can be supported by the bowl-like good heat conductor fixture 27. Further, before the good heat conductor 20 is pressed against the top plate of the vacuum vessel 25, the hole for the bolt 90 can be closed by a known sealing method such as a Wilson seal. Similarly to the first embodiment, after the bolt is tightened, the detachable support 22 is removed in order to reduce the amount of heat entering the vacuum vessel (S308). The integrated control device 103 continues to circulate liquid helium with the valves 46 and 47 open (S409), and after the superconducting coil windings 11-1 and 11-2 reach the operating temperature, the superconducting coil winding 11 -1, 11-2 are excited (S310).

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（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）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 coil winding part 12 Winding frame 13 High temperature superconducting power leads 14, 85 Excitation wiring 15, 20, 21, 120, 121, 203, 302, 302-1, 302-2 Good thermal conductor 16, 23 Refrigerator 17 Current terminal 18 Thermal insulation layer 22, 22-1, 22-2, 202 Detachable support 24 Hydraulic mechanism 25 Vacuum vessel 26, 45 Load support 27 Good heat conductor fixture 31, 31-1, 31 -2 Heat good conductor refrigerant flow path 32 Guides 33, 36, 38 Refrigerant flow paths 34, 37, 46, 47 Valves 35, 39, 44 Refrigerant circulation devices 41-1, 41-2 Refrigerant flow paths 42, 42 in the reel -1, 42-2 Reel 43 Direction of electromagnetic force 80, 83 Refrigerator drive device 81 Excitation circuit 82 Hydraulic mechanism control device 84, 87 Refrigerator drive wiring 86 Hydraulic mechanism control signal lines 88, 208 O-ring 9 screw holes 90 bolts 100 superconducting magnet apparatus 101, 201 superconducting coil 102 monitors 103 the integrated control apparatus 104,105,106,107,301 signal line 122 heat transfer suppressing member

Claims

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。 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.

請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
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.

請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
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.

請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
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.

請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
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.

請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
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:

請求項６に記載された超電導磁石装置であって、
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.

請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
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.

請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
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.

請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
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.

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。 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.

請求項１１に記載された励磁方法であって、
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.

請求項１１に記載された励磁方法であって、
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.

請求項１１に記載された励磁方法であって、
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.

請求項１１に記載された励磁方法であって、
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.