JP3648265B2

JP3648265B2 - Superconducting magnet device

Info

Publication number: JP3648265B2
Application number: JP08896194A
Authority: JP
Inventors: 明子斉藤; 昭彦津田井; 政司佐橋; 安見大谷; 透栗山; 秀樹中込
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-04-26
Filing date: 1994-04-26
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: JPH07294035A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超電導磁石装置に係り、特に超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で冷却するようにした超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、現在実用化されている超電導磁石装置の多くは、超電導コイルを臨界温度以下に冷却する手段として、超電導コイルを液体ヘリウムで代表される極低温液体中に浸漬する方式を採用している。しかし、この方式では、液体ヘリウムや液体窒素といった扱い難く、高価な冷媒をクライオスタットへ出し入れする必要があるので、無駄に消費される冷媒量が多く、ランニングコストの増加を免れ得ない。
【０００３】
ところで、近年、新しい蓄冷材の発見等に伴ってギホード・マクマホン型冷凍機（ＧＭ冷凍機）やパルスチューブ冷凍機で代表される蓄冷式極低温冷凍機の性能が飛躍的に向上している。最近では、磁性材であるＥｒ₃ＣｏとＥｒ_0.9Ｙｂ_0.1Ｎｉとを蓄冷材として用い、液体ヘリウム温度（4.2K) で1 Ｗを越える冷凍能力が得られるＧＭ冷凍機が出現し、この高い冷凍能力のＧＭ冷凍機を用い、その冷却ステージで直接的に超電導コイルを伝導冷却する超電導磁石装置が提案されている。
【０００４】
この超電導磁石装置では、冷媒の無駄をなくすことができるので、ランニングコストを大幅に低下させることができる。
【０００５】
しかしながら、上記のように超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で直接伝導冷却する超電導磁石装置にあっても実際に本発明者等が超電導コイルに電流を流す実験を種々行なった結果、その影響が極低温冷凍機側に現れ、最低温冷却ステージの温度が冷凍機単体で運転した場合より高くなって安定しなかったり、運転時間の経過とともに極低温冷凍機の冷凍能力が低下するという新たな問題が発生することが判明した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように本発明者等の実験により新規な問題点が判明したことに基づいて本発明はなされたもので、磁場発生能力を落とすことなく、冷凍性能の安定化を図れる蓄冷式冷凍機を用いた冷凍機直接冷却型の超電導磁石装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に、この発明の超電導磁石装置では、ＮｂＴｉ線で形成されている超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で熱伝導部材を介して直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する蓄冷器の内部には蓄冷材として反強磁性材料で形成されている粒状粉が収納されていることを特徴としている。また、この発明の超電導磁石装置では、４Ｋ以下に冷却されるべき超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で熱伝導部材を介して直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する蓄冷器の内部には蓄冷材として反強磁性材料で形成されている粒状粉が収納されていることを特徴としている。
【０００８】
なお、反強磁性材料としては、ネール温度が30K 以下であり、かつデバイ温度が200K以下であることが好ましい。
【０００９】
また、上記目的を達成する為に、この発明の超電導磁石装置では、超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機の中の最低冷却温度に達する蓄冷器の蓄冷材が磁性材で形成され、且つ、この蓄冷器の最低温側が上記超電導コイルの中心を通り、上記超電導コイルの中心軸に対して垂直に延びる軸線上に位置していることを特徴としている。
【００１０】
【作用】
超電導コイルに電流を流すと、超電導コイルの周囲には漏れ磁場が発生する。一方、蓄冷式の極低温冷凍機では、最終段蓄冷器の蓄冷材として、強磁性への磁気相転移に伴う比熱異常（大きな比熱の山）を利用できる強磁性材料を用いたものが多い。
【００１１】
冷凍機直接冷却型の超電導磁石装置では、全体の大型化を防止する意味から超電導コイルと蓄冷式の極低温冷凍機とを距離的に近付ける必要があるので、極低温冷凍機の蓄冷材として用いられている強磁性材料が超電導コイルの漏れ磁場によって磁化する（総和として磁気モーメントを持つ）。
【００１２】
一般に、磁性材は磁場中において磁化の大きさと磁場勾配とに比例した力を受けるので、強磁性材料からなる蓄冷材は磁場中で磁化の大きさと磁場勾配とに比例した力を受ける。代表的な蓄冷式の極低温冷凍機であるＧＭ冷凍機を例にとると、冷凍サイクルを実現する関係上、シリンダー内において蓄冷器を往復動させる必要がある。したがって、上記のように強磁性材料からなる蓄冷材に力が作用すると、この力によって蓄冷器が傾き、シリンダー壁に接触するような事態が発生するものと認められる。この結果、蓄冷器とシリンダー壁との摩擦等による発熱や、シールの押し付けによる冷媒ガスの正常な流れの疎外等が生じ、発明者等の実験によって確認されたように、極低温冷凍機の最低温冷却ステージの冷凍性能の低下やステージ温度の不安性を招く結果となっていると考えられる。
【００１３】
請求項１に係る発明では、極低温冷凍機の最終段蓄冷器の蓄冷材を反強磁性材料で形成しているので、蓄冷器が受ける力を減少させ、蓄冷器に傾きが生じないようにすることができるので、結果として、最低温冷却ステージの温度を安定させ、超電導コイルを定常的に冷却することが可能となる。
【００１４】
すなわち、強磁性材料は、磁気相転移温度Ｔ_C（キュリー温度）以下で自発磁化（零磁場中でも有限の磁化を持つ）を持ち、Ｔ_Cより高温においても小さな外部印加磁場により大きな磁化を持つ。これに対して、反強磁性材料は、零磁場では磁化を持たず（原子のモーメントの総和が零）、小さな外部印加磁場では磁化の値は極めて小さい。したがって、小さな磁場中での反強磁性材料の磁化の大きさは、強磁性材料に比べてはるかに小さい。前述の如く、磁性材が磁場中で受ける力の大きさは、磁化の大きさに比例するので、蓄冷器が磁場勾配の大きな空間に設定される場合、蓄冷材として反強磁性材料を用いることによって、蓄冷器が受ける力を減ずることができる。この結果、蓄冷器とシリンダとの摩擦等による発熱を防ぎ、極低温冷凍機の最低温冷却ステージの温度安定性を向上させ、クエンチの誘因となる超電導コイルの温度ゆらぎをなくすことが可能となる。
【００１５】
なお、蓄冷材として用いる反強磁性材料としては、反強磁性磁気相転移温度
（ネール点）Ｔ_Nが30K 以下であることが好ましい。具体的には表１−２に示したように、Ｅｒ₃Ｎｉ（Ｔ_N〜6K），ＥｒＣｕ（Ｔ_N〜13K ），Ｈｏ₂Ａｌ（Ｔ_N〜15K ）などである。ネール温度Ｔ_Nが高いと、最終段蓄冷器で、磁気相転移に伴う比熱の異常（比熱の大きな山）を十分に利用することができず、冷媒ガスの蓄熱（冷）効果が極端に低下し、最低温冷却ステージの冷凍能力が著しく低下する。このため、最低温冷却ステージを、たとえば液体ヘリウム温度以下に冷却することが困難となり、超電導コイルのクエンチの誘因となる。
【００１６】
また、蓄冷材として用いる反強磁性材料としては、そのデバイ温度が通常１段目の蓄冷器の蓄冷材として使用される銅のデバイ温度343Kより低いことが好ましく、さらには200K以下であることがより好ましい。具体的には、表１−２に示したように、Ｅｒ₃Ｎｉ（〜135K），ＥｒＣｕ（〜200K），Ｈｏ₂Ａｌ（Ｔ_N〜150K）などである。
【００１７】
20〜80K という中温度域では、格子比熱は磁気比熱と同様に反強磁性材料の全比熱に対して重要な役割を果たしている。冷凍機ガスサイクルの中で、高温側蓄冷器内を通り、高温側蓄冷材との熱交換で冷却された冷媒ガスが、一時的に温度上昇することなく、熱的にスム−ズに低温側蓄冷器内を通ることができるような熱的に無駄のないガスサイクルを形成するためには、高温側蓄冷器の出口付近温度における高温側蓄冷材との交換熱量に対し、低温側蓄冷器の入口付近温度における低温側蓄冷材との交換熱量が同等程度以上であることが望ましい。したがって、20〜80K といった温度領域で、材料の全比熱に対して重要な役割を果たす格子比熱も高温側蓄冷材に比べ低温側蓄冷材では同程度かそれ以上であることが望ましい。一般に、低温での原子モル当たりの格子比熱は、デバイ温度が低い程大きい。したがって、最終段蓄冷器で用いる反強磁性材料のデバイ温度は、１段目の蓄冷器に蓄冷材として使用されている銅のデバイ温度より低いことが好ましく、原子密度が高いほどよい。また、20〜80K の温度領域で磁気比熱が小さい場合には、デバイ温度を200K以下にすることで、格子比熱を大きくすることができる。
【００１８】
前述の如く、磁性材は磁場中で磁化の大きさと磁場勾配とに比例した力を受ける。したがって、最終段蓄冷器の蓄冷材が強磁性材料で形成されている場合であっても、最終段蓄冷器が磁場勾配の零に近い部分に位置するように極低温冷凍機を配置することによって最終段蓄冷器に加わる力を十分に小さくできる。
【００１９】
すなわち、請求項３に係る発明では、超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で冷却する超電導磁石装置において、最終段蓄冷器の最低温側を、超電導コイルの中心を通り、超電導コイルの中心軸に対して垂直に描かれる線の近傍に位置させるようにしている。
【００２０】
ここで、最終段蓄冷器内の温度は、通常、その高温端側は大きく変動するが、低温端から高温端側へかけての約半分の領域では低温端温度に近く、しかも変動は小さい。したがって、最終段蓄冷器内に収容された強磁性材料からなる蓄冷材は、最低温端側から約半分の領域に存在しているものが特に大きな磁化を持っているとみなすことができるので、この約半分の領域を超電導コイルの中心を通り、超電導コイルの中心軸に対して垂直に描かれる線の近傍に位置させれば、最終段蓄冷器に加わる力を十分に小さくでき、この力に起因する上述した不具合を防止できることになる。
【００２１】
【実施例】
以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
【００２２】
図１には本発明の一実施例に係る超電導磁石装置の概略構成が示されている。この超電導磁石装置は、大きく別けて、内部が真空雰囲気となるように排気された真空容器１を備えている。真空容器１は、たとえばステンレス鋼などの非磁性材で形成されている。真空容器１の上壁２および下壁３には、それぞれ孔４ａ，４ｂが対向関係に設けてあり、これらの孔４ａ，４ｂを連通させるようにステンレス鋼などの非磁性材で形成された筒体５の両端部が上壁２および下壁３の内面に気密に接続されている。したがって、筒体５の内側は大気圧に、外側は真空雰囲気に保持されている。
【００２３】
筒体５の回りで真空雰囲気中には、筒体５とは非接触に、かつ筒体５と同心的に、たとえばＮｂＴｉ線で形成された超電導コイル６が配置されており、この超電導コイル６は周方向に切れ目のある円筒状に形成された吸熱部材７を介して熱伝導部材８に熱的に接続されている。熱伝導部材８は超電導コイル６の外側にその軸心線を超電導コイル６の軸心線に平行させて配置された蓄冷式の極低温用冷凍機、この例ではＧＭ冷凍機９の冷却ステージに接続されている。
【００２４】
ＧＭ冷凍機９は、70K 程度に冷却される第１段冷却ステージ１０と、4K以下程度に冷却される第２段冷却ステージ１１とを備えており、各冷却ステージが真空容器１内に位置するように真空容器１の上壁２に設けられた図示しない装着孔を使って真空容器１に取り付けられている。そして、第２段冷却ステージ１１に熱伝導部材８が熱的および機械的に接続されている。
【００２５】
ＧＭ冷凍機９は具体的には図２に示すように構成されている。
【００２６】
このＧＭ冷凍機９は、大きく別けて、コ−ルドヘッド２１と、冷媒ガス導排出系２２とで構成されている。
【００２７】
コ−ルドヘッド２１は、閉じられたシリンダ３１と、このシリンダ３１内に往復動自在に収容されたピストン、すなわち断熱材で形成されたディスプレ−サ３２と、このディスプレ−サ３２に対して往復動に必要な動力を与えるモ−タ３３とで構成されている。
【００２８】
シリンダ３１は、大径の第１シリンダ３４と、この第１シリンダ３４に同軸的に接続された小径の第２シリンダ３５とで構成されている。第１シリンダ３４および第２シリンダ３５は、通常、薄いステンレス鋼板等で形成されている。そして、第１シリンダ３４と第２シリンダ３５との境界壁部分で前述した第１段冷却ステ−ジ１０を構成し、また第２シリンダ３５の先端壁部分で第１段冷却ステ−ジ１０より低温の前述した第２段冷却ステ−ジ１１を構成している。
【００２９】
ディスプレ−サ３２は、第１シリンダ３４内を往復動する第１ディスプレ−サ３８と、第２シリンダ３５内を往復動する第２ディスプレ−サ３９とで構成されている。第１ディスプレ−サ３８と第２ディスプレ−サ３９とは、連結機構４０によって軸方向に連結されている。
【００３０】
第１ディスプレ−サ３８の内部には、第１段目の蓄冷器６１を構成するための流体通路４１が軸方向に形成されており、この流体通路４１には銅メッシュ等で形成された蓄冷材４２が収容されている。
【００３１】
第２ディスプレ−サ３９の内部には最終段の蓄冷器６２を構成するための流体通路４３が軸方向に形成されており、この流体通路４３には平均粒径が100 〜400 μｍの球状粉からなる蓄冷材４４が収容されている。
【００３２】
蓄冷材４４は、図３にも示すように、第１段冷却ステージ１０側、つまり高温側に充填された組成がＨｏ₂Ａｌである蓄冷材４４ａと、第２段冷却ステージ１１側、つまり低温側に充填された組成がＥｒ₃Ｎｉである蓄冷材２４ｂとで構成されている。
【００３３】
これらの蓄冷材４４ａ，４４ｂの磁気的な性質は共に反強磁性を示し、温度に対して図４に示す比熱特性を示す。そして、これらの蓄冷材４４ａ，４４ｂは、メッシュ状のセパレータ４５によって混合しないように分離されている。なお、この例では蓄冷材４４ａの体積と蓄冷材４４ｂの体積との和に対して蓄冷材４４ｂの体積が約30〜50％になる関係に充填されている。勿論、蓄冷材４４全体を１種類の反強磁性材で構成することもできる。反強磁性材であるＥｒＣｕの比熱特性を図４に合せて示してある。また、蓄冷材４４の高温側0 〜50％は、Ｐｂ（鉛）などの非磁性材料や、Ｔ_Cの低い、強磁性体を用いてもよい。この領域で蓄冷材の温度がＴ_Cより十分に高く保たれていれば、強磁性体であっても磁化を小さく保つことが可能であるからである。
【００３４】
第１ディスプレ−サ３８の外周面と第１シリンダ３４の内周面との間および第２ディスプレ−サ３９の外周面と第２シリンダ３５の内周面との間には、それぞれシ−ル装置４６、４７が装着されている。
【００３５】
第１ディスプレ−サ３８の図中上端は、連結ロッド４８、スコッチヨ−クあるいはクランク軸４９を介してモ−タ３３の回転軸に連結されている。したがって、モ−タ３３が回転すると、この回転に同期してディスプレ−サ３８が図中実線矢印５０で示す方向に往復動する。
【００３６】
第１シリンダ３４の側壁上部には冷媒ガスの導入口５１と排出口５２とが設けてあり、これら導入口５１と排出口５２は冷媒ガス導排出系２２に接続されている。
【００３７】
冷媒ガス導排出系２２は、シリンダ３１を経由するヘリウムガス循環系を構成するもので、排出口５１を低圧弁５３、圧縮機５４、高圧弁５５を介して導入口５２に接続したものとなっている。すなわち、この冷媒ガス導排出系２２は、低圧（たとえば５atm ）のヘリウムガスを圧縮機５４で高圧（たとえば１８atm ）に圧縮してシリンダ３１内に送り込むものである。そして、低圧弁５３、高圧弁５５はディスプレ−サ３２の往復動との関連において後述する関係に開閉制御される。
【００３８】
次に、上記のように構成された超電導磁石装置の使用例を説明する。
【００３９】
まず、ＧＭ冷凍機９を駆動する。このＧＭ冷凍機９において寒冷を発生する部分、つまり冷却面に供される部分は第２段冷却ステ−ジ１１である。
【００４０】
モ−タ３３が回転を開始すると、ディスプレ−サ３２が下死点と上死点との間を往復動する。ディスプレ−サ３２が下死点にあるとき、高圧弁５５が開いて高圧ヘリウムガスがコ−ルドヘッド２１内に流入する。次に、ディスプレ−サ３２が上死点へと移動する。前述の如く、第１ディスプレ−サ３８の外周面と第１シリンダ３４の内周面との間および第２ディスプレ−サ３９の外周面と第２シリンダ３５の内周面との間にはそれぞれシ−ル装置４６、４７が装着されている。このため、ディスプレ−サ３２が上死点へと向かうと、高圧ヘリウムガスは第１ディスプレ−サ３８に形成された流体通路４１および第２ディスプレ−サ３９に形成された流体通路４３を通って、第１ディスプレ−サ３８と第２ディスプレ−サ３９との間に形成された１段膨張室５６および第２ディスプレ−サ３９と第２シリンダ３５の先端壁との間に形成された２段膨張室５７へと流れる。この流れに伴って、高圧ヘリウムガスは蓄冷材４２、４４によって冷却され、結局、１段膨張室５６に流れ込んだ高圧ヘリウムガスが冷却され、また２段膨張室５７に流れ込んだ高圧ヘリウムガスも冷却される。
【００４１】
ここで、高圧弁５５が閉じ、低圧弁５３が開く。このように低圧弁５３が開くと、１段膨張室５６内および２段膨張室５７内の高圧ヘリウムガスが膨張して寒冷を発生し、第１段冷却ステ−ジ１０および第２段冷却ステ−ジ１１において吸熱が行われる。そして、ディスプレ−サ３２が再び下死点へ移動すると、これに伴って１段膨張室５６内および２段膨張室５７内のヘリウムガスが排除される。膨張したヘリウムガスは流体通路４１、４３内を通る間に蓄冷材４２、４４を冷却し、常温となって排出される。以下、上述したサイクルが繰返されて冷凍運転が行なわれる。
【００４２】
ＧＭ冷凍機９の第２段冷却ステージ１１は熱伝導部材８に熱的に接続されているので、ＧＭ冷凍機９を運転開始させると、熱伝導部材８の顕熱が伝導によって第２段冷却ステージ１１に吸収される。また、超電導コイル６は吸熱部材７を介して熱伝導部材８に熱的に接続されているので、超電導コイル６の顕熱も伝導によって第２段冷却ステージ１１に吸収される。すなわち、これらの顕熱がＧＭ冷凍機９によって吸収される。そして、最終的に、超電導コイル６は第２段冷却ステージ１１の最低到達温度に近い温度、つまり4K以下に冷却される。
【００４３】
この温度では、超電導コイル６を形成しているＮｂＴｉ線材が超電導状態に転移する。したがって、この状態で図示しないパワーリードを介して超電導コイル６に通電することが可能になる。
【００４４】
超電導コイル６に電流を流すと、超電導コイル６の周囲に漏れ磁場が発生し、この漏れ磁場内にＧＭ冷凍機９の第１段蓄冷器６１および第２段蓄冷器６２が位置する形態となる。
【００４５】
しかし、第１段の蓄冷器６１の蓄冷材４２は銅で形成されているため、この蓄冷材４２が漏れ磁場によって磁化されることはない。
【００４６】
一方、最終段の蓄冷器６２の蓄冷材４４は磁性材料で形成されているが、反強磁性材料で形成されているので、その磁化レベルは極めて小さい。すなわち、反強磁性材料であるＥｒ₃Ｎｉと強磁性材料ＥｒＮｉおよびＥｒ₃Ｃｏとは、極低温下において共に勝れた蓄冷特性を発揮するものであるが、図５に示すように、外部印加磁場に対する磁化特性は大きく異なり、Ｅｒ₃Ｎｉの方が磁化され難い性質を有している。
【００４７】
したがって、本実施例にように、最終段の蓄冷器６２の蓄冷材として反強磁性材料を用いたものでは、超電導コイル６からの漏れ磁場に起因して蓄冷器６２に加わる力を十分に小さくできる。この結果、漏れ磁場に起因して起こる蓄冷器６２、具体的にはディスプレーサ３２の傾き発生を防止でき、ディスプレーサ３２とシリンダとの摩擦等による発熱を防止できるので、第２段冷却ステージ１１の温度安定性を向上させることができ、クエンチの誘因となる超電導コイル６の温度ゆらぎをなくすことが可能となる。
【００４８】
ＧＭ冷凍機９では最終段の蓄冷器６２で用いる蓄冷材の材質によって第２段冷却ステージ１１の最低到達温度が大きく左右される。表１−１に第２段冷却ステージ１１の最低到達温度を液体ヘリウム温度である4.2K以下にすることが可能な蓄冷材を示す。なお、表１−１の蓄冷材料の欄において、右側は低温側に充填される材料を示している。表１−１に示される蓄冷材料は、共に磁性材料で、その特性は表１−２に示す通りである。また、図６に一部の材料の温度に対する比熱特性を示す。
【００４９】
【表１】

発明者等は、図１に示される装置を使い、ＧＭ冷凍機９の最終段の蓄冷器６２として表１−１に示される蓄冷器Ａ〜Ｇを用いて実際にＧＭ冷凍機９を運転して冷却試験を行った。いずれの場合も、第２段冷却ステージ１１の最終到達温度が4.2K以下となり、安定していることが確認された。また、ＮｂＴｉ線材を用いた超電導コイル６も第２段冷却ステージ１１とほぼ同じ温度まで冷却されていることが確認された。
【００５０】
次に、表１−１に示される蓄冷器Ｃ，Ｄを用いた場合について、超電導コイル６に通電し、コイル経験磁場と超電導コイル６の温度との関係について調べてみた。その結果、図７中にＣ，Ｄで示すように、コイル経験磁場を上昇させていくと、超電導コイル６の温度が急激に上昇することが確認された。なお、図７中の破線はＮｂＴｉ超電導線の臨界磁場の温度特性であり、これとの交点で超電導コイル６がクエンチした。一方、表１−１に示される蓄冷器Ｅ，Ｇを用いた場合について、同様の試験を行った結果、図７中にＥ，Ｇで示すように、蓄冷器Ｃ，Ｄを用いた場合に比べて超電導コイル６の温度上昇がはるかに緩やかで、クエンチ磁場が高くなっていることが確認された。
【００５１】
蓄冷器Ｃ，Ｄは蓄冷材として強磁性材料を使用しており、蓄冷器Ｅ，Ｇは蓄冷材として反強磁性材料を使用している。したがって、蓄冷材として反強磁性材料を用いることが有効であることが確認された。
【００５２】
また、表１−１に示される蓄冷器Ｃ，Ｅを用いた場合について，超電導コイル６への通電回数と超電導コイル６の温度との関係を調べた。その結果、図８に示すデータが得られた。この図８から判るように、蓄冷器Ｃを用いた場合には、通電毎のコイル温度のバラツキも大きく、通電を重ねるとコイル温度が上昇し、冷凍器の冷凍能力が劣化していく。これに対して、蓄冷器Ｅを用いた場合には、通電回数による冷凍能力の劣化は見られず、コイル温度のゆらぎも小さい。
【００５３】
したがって、最終段の蓄冷器６２の蓄冷材として反強磁性材料をい用いることで、長期運転に伴う冷凍性能の劣化を抑えることが可能となり、メンテナンス性を大幅に向上させることができる。
【００５４】
図９には本発明の別の実施例に係る超電導磁石装置の概略構成が示されている。なお、この図では図１と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００５５】
この実施例に係る超電導磁石装置では、ＧＭ冷凍機９における最終段の蓄冷器６２の最低温側を、超電導コイル６の中心７１を通り、超電導コイル６の中心軸７２に対して垂直に描かれる線７３の近傍に位置させるようにしている。
【００５６】
今、超電導コイル６とその回りの空間について、超電導コイル６の中心７１を原点とし、コイル中心軸７２をｚ軸，コイルの中心７１を通り、中心軸７２に垂直に縁由う方向に向かう２つの互いに垂直な軸をそれぞれｘ軸，ｙ軸とする。
【００５７】
超電導コイル６に電流を流して磁場を発生させたとき、空間での磁場の向きは、図１０(a),(b) に示すように、白丸から延びる線の向きとなる。この空間に有限の磁化を持つ磁性体をおいたとき、磁性体は磁化の大きさと磁場勾配の大きさとに比例した力を受ける。
【００５８】
【数１】

このため、上記空間に強磁性体であるＥｒＮｉをおいた場合には、このＥｒＮｉには図１０(c) に示すように、おかれている位置に応じた向きおよび大きさの力を受ける。
【００５９】
この図から判るように、ｘ軸上に置かれた場合には力を受けない。この実施例では、ｘ軸上、つまり線７３上に蓄冷器６２が位置するようにＧＭ冷凍機９を配置している。具体的には次のように配置している。すなわち、運転時において、蓄冷器６２の低温端と高温端との間の温度分布は、通常、図１１に示すように
高温端側は大きく変動するが、低温端から高温端側へかけての約半分の領域では低温端温度に近く、しかも変動が小さい。したがって、蓄冷器６２内に収容された強磁性材料からなる蓄冷材は、最低温端側から約半分の領域に存在しているものが特に大きな磁化を持っているとみなすことができるので、この約半分の領域のほぼ中心７４を超電導コイル６の中心７１を通り、超電導コイル６の中心軸７２に対して垂直に描かれる線７３の近傍に位置させるように配置いている。
【００６０】
このような構成であると、前記実施例と同様に漏れ磁場に起因して起こるディスプレーサの傾き発生を防止でき、ディスプレーサとシリンダとの摩擦等による発熱を防止できるので、第２段冷却ステージ１１の温度安定性を向上させることができ、クエンチの誘因となる超電導コイル６の温度ゆらぎをなくすことができる。また、この場合には、蓄冷器６２の蓄冷材として、強磁性材料、反強磁性材料を問わず、いずれの材料も使用できる利点がある。
【００６１】
なお、上述した例は、ＧＭ冷凍機９の軸心線が超電導コイル６の中心軸と平行の場合であるが、図１２のように互いに垂直の場合には、蓄冷器６２の軸心線が線７３の延長線上に位置するようにＧＭ冷凍機９を配置することによって、同様の効果を得ることができる。
【００６２】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。たとえば、ＧＭ冷凍機９の第１の冷却ステージ１０を使って放射熱の侵入を防止するための熱シールド板を冷却するようにしてもよい。また、熱伝導部材８を可撓構成に形成し、組立性の向上および振動吸収機能を発揮させるようにしてもよい。
また、従来技術の欄で記載したように、本発明者等により確認された超電導コイルを蓄冷式冷凍機で直接冷却するシステムの問題点は、液体ヘリウムで代表される冷媒を利用して超電導コイルを冷却するシステムにおいても、超電導コイルと蓄冷式冷凍機とを近付けて配置する場合に生じるものと考えられる。
【００６３】
したがって、極低温冷媒を介して蓄冷式冷凍機で超電導コイルを冷却するシステムに本発明を適用すれば、上記実施例と同様の作用・効果を得ることができる。さらに、磁気浮上列車（リニアモータカー）などに用いられる超電導コイルを冷却するのに、蓄冷式冷凍機（ＧＭ冷凍機）とジュール・トムソン効果とを利用した冷凍機（ＪＴ冷凍機）を組合せて用いることも行われているが、このようなシステムにおいても本発明を適用することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超電導コイルからの漏れ磁場に起因する冷却性能の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る超電導磁石装置の概略構成図
【図２】同装置に組込まれたＧＭ冷凍機の要部縦断面図
【図３】同ＧＭ冷凍機における最終段蓄冷器の断面図
【図４】同最終段蓄冷器で用いている蓄冷材の比熱特性を示す図
【図５】反強磁性材料と強磁性材料との磁化特性を比較して示す図
【図６】各種蓄冷材料の比熱特性を示す図
【図７】最終段蓄冷器の蓄冷材として反強磁性材料と用いたものと強磁性材料を用いたものとの冷却性能を比較して示す図
【図８】最終段蓄冷器の蓄冷材として反強磁性材料と用いたものと強磁性材料を用いたものとの冷却性能を比較して示す図
【図９】本発明の他の実施例に係る超電導磁石装置の概略構成図
【図１０】超電導コイルのまわりの磁場勾配および磁場中におかれた磁性体が受ける力を説明するための図
【図１１】最終段蓄冷器内の温度分布を説明するための図
【図１２】本発明のさらに別の実施例に係る超電導磁石装置の要部概略構成図
【符号の説明】
１…真空容器６…超電導コイル
７…吸熱部材８…熱伝導部材
９…ＧＭ冷凍機１０…第１の冷却ステージ
１１…第２の冷却ステージ４２，４４…蓄冷材
６１…１段目の蓄冷器６２…最終段の蓄冷器[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a superconducting magnet device, and more particularly to a superconducting magnet device in which a superconducting coil is cooled by a regenerative cryogenic refrigerator.
[0002]
[Prior art]
As is well known, many superconducting magnet devices that are currently in practical use employ a method of immersing the superconducting coil in a cryogenic liquid typified by liquid helium as a means of cooling the superconducting coil below the critical temperature. ing. However, this method is difficult to handle such as liquid helium and liquid nitrogen, and an expensive refrigerant needs to be taken in and out of the cryostat. Therefore, a large amount of refrigerant is wasted, and an increase in running cost cannot be avoided.
[0003]
Incidentally, in recent years, with the discovery of new regenerator materials, the performance of regenerative cryogenic refrigerators represented by Gifod-McMahon type refrigerators (GM refrigerators) and pulse tube refrigerators has been dramatically improved. Recently, Er is a magnetic material. _Three Co and Er _0.9 Yb _0.1 A GM refrigerator that uses Ni as a regenerator and can achieve a refrigerating capacity exceeding 1 W at a liquid helium temperature (4.2K) has appeared, and this high refrigerating capacity GM refrigerator can be used directly on its cooling stage. A superconducting magnet device that conducts and cools a superconducting coil has been proposed.
[0004]
In this superconducting magnet device, the waste of the refrigerant can be eliminated, so that the running cost can be greatly reduced.
[0005]
However, as described above, even in the superconducting magnet device that directly conducts and cools the superconducting coil with a regenerative cryogenic refrigerator, the present inventors have actually conducted various experiments for passing a current through the superconducting coil. Appears on the cryogenic refrigerator side, the temperature of the coldest cooling stage becomes higher than when operating alone, and it is not stable, or the refrigeration capacity of the cryogenic refrigerator decreases as the operating time elapses It turns out that a problem occurs.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the present invention has been made based on the fact that new problems have been found by the inventors' experiments, and a regenerative refrigerator that can stabilize the refrigeration performance without reducing the magnetic field generation capability. It is an object of the present invention to provide a superconducting magnet device of a refrigerator directly cooled type used.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the superconducting magnet device of the present invention, Formed of NbTi wire Superconducting coil with a regenerative cryogenic refrigerator Through heat conduction member In a superconducting magnet apparatus for direct conduction cooling, the cryogenic refrigerator is disposed in a leakage magnetic field generated around the superconducting coil, and the regenerator reaches the minimum cooling temperature in the cryogenic refrigerator. Inside Cold storage material As Made of antiferromagnetic material Contains granular powder It is characterized by that. In the superconducting magnet device of the present invention, Should be cooled below 4K Superconducting coil with a regenerative cryogenic refrigerator Through heat conduction member In a superconducting magnet apparatus for direct conduction cooling, the cryogenic refrigerator is disposed in a leakage magnetic field generated around the superconducting coil, and the regenerator reaches the minimum cooling temperature in the cryogenic refrigerator. Inside Cold storage material As Made of antiferromagnetic material Contains granular powder It is characterized by that.
[0008]
The antiferromagnetic material preferably has a Neel temperature of 30K or lower and a Debye temperature of 200K or lower.
[0009]
In order to achieve the above object, according to the superconducting magnet device of the present invention, the superconducting magnet device in which the superconducting coil is directly conductively cooled by a regenerative cryogenic refrigerator, wherein the cryogenic refrigerator is the superconducting coil. The regenerator material of the regenerator which is disposed in the leakage magnetic field generated around and reaches the minimum cooling temperature in the cryogenic refrigerator is formed of a magnetic material, and the lowest temperature side of the regenerator is the center of the superconducting coil. And is located on an axis extending perpendicularly to the central axis of the superconducting coil.
[0010]
[Action]
When a current is passed through the superconducting coil, a leakage magnetic field is generated around the superconducting coil. On the other hand, many of the regenerator type cryogenic refrigerators use a ferromagnetic material that can utilize a specific heat anomaly (a large peak of specific heat) associated with a magnetic phase transition to ferromagnetism as a regenerator material for a final stage regenerator.
[0011]
In direct-cooled superconducting magnet systems, it is necessary to bring the superconducting coil and the regenerative cryogenic refrigerator closer to each other in order to prevent the overall size from increasing, so it can be used as a regenerator material for cryogenic refrigerators. The magnetized ferromagnetic material is magnetized by the leakage magnetic field of the superconducting coil (having a magnetic moment as a sum).
[0012]
In general, since a magnetic material receives a force proportional to the magnitude of magnetization and a magnetic field gradient in a magnetic field, a cold storage material made of a ferromagnetic material receives a force proportional to the magnitude of magnetization and the magnetic field gradient in a magnetic field. Taking a GM refrigerator, which is a typical regenerative cryogenic refrigerator, as an example, it is necessary to reciprocate the regenerator in the cylinder in order to realize a refrigeration cycle. Therefore, when a force acts on the regenerator material made of a ferromagnetic material as described above, it is recognized that the regenerator tilts due to this force and a situation occurs in which the regenerator comes into contact with the cylinder wall. As a result, heat generation due to friction between the regenerator and the cylinder wall, alienation of the normal flow of the refrigerant gas due to the pressing of the seal, etc. occurred, and as confirmed by the inventors' experiments, the minimum of the cryogenic refrigerator is This is thought to result in a decrease in the refrigeration performance of the temperature cooling stage and instability of the stage temperature.
[0013]
In the invention according to claim 1, since the regenerator material of the final stage regenerator of the cryogenic refrigerator is formed of an antiferromagnetic material, the force received by the regenerator is reduced so that the regenerator does not tilt. As a result, the temperature of the lowest temperature cooling stage can be stabilized and the superconducting coil can be steadily cooled.
[0014]
That is, the ferromagnetic material has a magnetic phase transition temperature T _C (Curie temperature) below and has spontaneous magnetization (with finite magnetization even in zero magnetic field), T _C Even at higher temperatures, it has a large magnetization due to a small externally applied magnetic field. On the other hand, antiferromagnetic materials do not have magnetization in a zero magnetic field (the sum of the moments of atoms is zero), and the magnetization value is extremely small in a small externally applied magnetic field. Therefore, the magnitude of magnetization of the antiferromagnetic material in a small magnetic field is much smaller than that of the ferromagnetic material. As described above, since the magnitude of the force that the magnetic material receives in the magnetic field is proportional to the magnitude of magnetization, when the regenerator is set in a space with a large magnetic field gradient, an antiferromagnetic material should be used as the regenerator. The power received by the regenerator can be reduced. As a result, it is possible to prevent heat generation due to friction between the regenerator and the cylinder, improve the temperature stability of the cryogenic cooling stage of the cryogenic refrigerator, and eliminate the temperature fluctuation of the superconducting coil that causes quenching. .
[0015]
In addition, as an antiferromagnetic material used as a cold storage material, an antiferromagnetic magnetic phase transition temperature is used.
(Nail point) T _N Is preferably 30K or less. Specifically, as shown in Table 1-2, Er _Three Ni (T _N ~ 6K), ErCu (T _N ~ 13K), Ho ₂ Al (T _N ~ 15K). Neel temperature T _N If the temperature is high, the final stage regenerator cannot fully utilize the specific heat anomaly (high peak of specific heat) that accompanies the magnetic phase transition, and the heat storage (cold) effect of the refrigerant gas is extremely reduced, resulting in the lowest temperature. The cooling capacity of the cooling stage is significantly reduced. For this reason, it becomes difficult to cool the lowest temperature cooling stage to, for example, the liquid helium temperature or less, which causes quenching of the superconducting coil.
[0016]
Moreover, as an antiferromagnetic material used as a cold storage material, it is preferable that the Debye temperature is lower than the Debye temperature of copper 343K normally used as the cold storage material of the first-stage regenerator, and further 200K or less. More preferred. Specifically, as shown in Table 1-2, Er _Three Ni (up to 135K), ErCu (up to 200K), Ho ₂ Al (T _N ~ 150K).
[0017]
In the medium temperature range of 20-80K, the lattice specific heat plays an important role for the total specific heat of the antiferromagnetic material as well as the magnetic specific heat. In the refrigerator gas cycle, the refrigerant gas that has passed through the high-temperature side regenerator and cooled by heat exchange with the high-temperature side regenerator material is thermally and smoothly heated to the low-temperature side without causing a temporary rise in temperature. In order to form a heat-free gas cycle that can pass through the regenerator, the amount of heat exchanged with the high-temperature regenerator at the temperature near the outlet of the high-temperature regenerator is compared with that of the low-temperature regenerator. It is desirable that the amount of heat exchanged with the low-temperature side regenerator at the temperature near the inlet is equal to or higher than that. Therefore, it is desirable that the lattice specific heat that plays an important role in the total specific heat of the material in the temperature range of 20 to 80 K is equal to or higher than that of the high temperature side cold storage material. Generally, the lattice specific heat per atomic mole at a low temperature is larger as the Debye temperature is lower. Therefore, the Debye temperature of the antiferromagnetic material used in the final stage regenerator is preferably lower than the Debye temperature of copper used as the regenerator in the first stage regenerator, and the higher the atomic density, the better. When the magnetic specific heat is small in the temperature range of 20 to 80K, the lattice specific heat can be increased by setting the Debye temperature to 200K or lower.
[0018]
As described above, the magnetic material receives a force proportional to the magnitude of magnetization and the magnetic field gradient in the magnetic field. Therefore, even if the regenerator material of the final stage regenerator is formed of a ferromagnetic material, the cryogenic refrigerator is arranged so that the final stage regenerator is located in a portion near zero of the magnetic field gradient. The force applied to the final stage regenerator can be made sufficiently small.
[0019]
That is, in the invention according to claim 3, in the superconducting magnet device that cools the superconducting coil with a regenerative cryogenic refrigerator, the lowest temperature side of the final stage regenerator passes through the center of the superconducting coil, and the central axis of the superconducting coil In the vicinity of the line drawn perpendicular to the line.
[0020]
Here, the temperature in the final stage regenerator usually fluctuates greatly on the high temperature end side, but is close to the low temperature end temperature in a region about half from the low temperature end to the high temperature end side, and the fluctuation is small. Therefore, since the regenerator material made of a ferromagnetic material housed in the last-stage regenerator can be regarded as having a particularly large magnetization when present in about a half region from the lowest temperature end side, If this half of the region passes through the center of the superconducting coil and is positioned near the line drawn perpendicular to the central axis of the superconducting coil, the force applied to the final stage regenerator can be made sufficiently small. It is possible to prevent the above-described problems caused.
[0021]
【Example】
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a superconducting magnet apparatus according to an embodiment of the present invention. This superconducting magnet device is roughly divided and includes a vacuum vessel 1 that is evacuated so that the inside becomes a vacuum atmosphere. The vacuum vessel 1 is made of a nonmagnetic material such as stainless steel. The upper wall 2 and the lower wall 3 of the vacuum vessel 1 are provided with

holes

4a and 4b in an opposing relationship, respectively, and a cylinder formed of a nonmagnetic material such as stainless steel so as to communicate the

holes

4a and 4b. Both ends of the body 5 are hermetically connected to the inner surfaces of the upper wall 2 and the lower wall 3. Therefore, the inside of the cylinder 5 is maintained at atmospheric pressure, and the outside is maintained in a vacuum atmosphere.
[0023]
A superconducting coil 6 formed of, for example, NbTi wire is disposed in a vacuum atmosphere around the cylinder 5 in a non-contact manner with the cylinder 5 and concentrically with the cylinder 5. Is thermally connected to the heat conducting member 8 through a heat absorbing member 7 formed in a cylindrical shape having a cut in the circumferential direction. The heat conducting member 8 is disposed on the outside of the superconducting coil 6 with its axial center line parallel to the axial center line of the superconducting coil 6, a regenerative cryogenic refrigerator, in this example, the cooling stage of the GM refrigerator 9 It is connected.
[0024]
The GM refrigerator 9 includes a first stage cooling stage 10 that is cooled to about 70K, and a second stage cooling stage 11 that is cooled to about 4K or less, and each cooling stage is located in the vacuum vessel 1. In this way, the vacuum vessel 1 is attached to the vacuum vessel 1 using a mounting hole (not shown) provided in the upper wall 2 of the vacuum vessel 1. The heat conducting member 8 is thermally and mechanically connected to the second stage cooling stage 11.
[0025]
Specifically, the GM refrigerator 9 is configured as shown in FIG.
[0026]
The GM refrigerator 9 is roughly divided into a cold head 21 and a refrigerant gas guide / discharge system 22.
[0027]
The cold head 21 includes a closed cylinder 31, a piston accommodated in the cylinder 31 so as to freely reciprocate, that is, a displacer 32 formed of a heat insulating material, and a reciprocating motion with respect to the displacer 32. And a motor 33 for providing necessary power.
[0028]
The cylinder 31 includes a large-diameter first cylinder 34 and a small-diameter second cylinder 35 connected coaxially to the first cylinder 34. The first cylinder 34 and the second cylinder 35 are usually formed of a thin stainless steel plate or the like. The first-stage cooling stage 10 described above is configured by the boundary wall portion between the first cylinder 34 and the second cylinder 35, and the first-stage cooling stage 10 is formed by the tip wall portion of the second cylinder 35. The low-temperature second stage cooling stage 11 described above is configured.
[0029]
The displacer 32 includes a first displacer 38 that reciprocates in the first cylinder 34 and a second displacer 39 that reciprocates in the second cylinder 35. The first displacer 38 and the second displacer 39 are connected in the axial direction by a connecting mechanism 40.
[0030]
Inside the first displacer 38, a fluid passage 41 for forming the first-stage regenerator 61 is formed in the axial direction, and the fluid passage 41 is formed by a cold storage formed of a copper mesh or the like. A material 42 is accommodated.
[0031]
A fluid passage 43 for forming the final stage regenerator 62 is formed in the second displacer 39 in the axial direction. The fluid passage 43 has a spherical powder having an average particle size of 100 to 400 μm. The cool storage material 44 which consists of is accommodated.
[0032]
As shown in FIG. 3, the regenerator material 44 has a composition filled on the first cooling stage 10 side, that is, on the high temperature side. ₂ The regenerator material 44a which is Al and the composition filled in the second stage cooling stage 11 side, that is, the low temperature side is Er. _Three It is comprised with the cool storage material 24b which is Ni.
[0033]
The magnetic properties of these

regenerator materials

44a and 44b are both antiferromagnetic and exhibit specific heat characteristics shown in FIG. 4 with respect to temperature. These

cool storage materials

44 a and 44 b are separated by a mesh separator 45 so as not to be mixed. In this example, the volume of the cold storage material 44b is about 30 to 50% of the sum of the volume of the cold storage material 44a and the volume of the cold storage material 44b. Of course, the whole cool storage material 44 can also be comprised by one type of antiferromagnetic material. The specific heat characteristics of ErCu, which is an antiferromagnetic material, are shown in FIG. Further, 0 to 50% of the high temperature side of the regenerator material 44 is made of non-magnetic material such as Pb (lead), T _C A low-ferromagnetic material may be used. In this region, the temperature of the regenerator material is T _C This is because the magnetization can be kept small even if it is a ferromagnetic material if it is kept sufficiently higher.
[0034]
Between the outer peripheral surface of the first displacer 38 and the inner peripheral surface of the first cylinder 34 and between the outer peripheral surface of the second displacer 39 and the inner peripheral surface of the second cylinder 35, the seals are respectively provided.

Devices

46 and 47 are installed.
[0035]
The upper end of the first displacer 38 in the drawing is connected to the rotating shaft of the motor 33 via a connecting rod 48, a scotch yoke or a crankshaft 49. Therefore, when the motor 33 rotates, the displacer 38 reciprocates in the direction indicated by the solid line arrow 50 in the figure in synchronization with this rotation.
[0036]
A refrigerant gas introduction port 51 and a discharge port 52 are provided in the upper portion of the side wall of the first cylinder 34, and the introduction port 51 and the discharge port 52 are connected to the refrigerant gas guide / discharge system 22.
[0037]
The refrigerant gas guide / discharge system 22 constitutes a helium gas circulation system via the cylinder 31, and the discharge port 51 is connected to the introduction port 52 via the low pressure valve 53, the compressor 54, and the high pressure valve 55. ing. That is, the refrigerant gas conducting / exhausting system 22 compresses low pressure (for example, 5 atm) helium gas to a high pressure (for example, 18 atm) by the compressor 54 and sends the compressed gas into the cylinder 31. The low pressure valve 53 and the high pressure valve 55 are controlled to be opened and closed in a relationship described later in relation to the reciprocating motion of the displacer 32.
[0038]
Next, a usage example of the superconducting magnet apparatus configured as described above will be described.
[0039]
First, the GM refrigerator 9 is driven. In the GM refrigerator 9, a portion that generates cold, that is, a portion provided to the cooling surface is a second stage cooling stage 11.
[0040]
When the motor 33 starts rotating, the displacer 32 reciprocates between the bottom dead center and the top dead center. When the displacer 32 is at the bottom dead center, the high pressure valve 55 is opened and high pressure helium gas flows into the cold head 21. Next, the displacer 32 moves to the top dead center. As described above, between the outer peripheral surface of the first displacer 38 and the inner peripheral surface of the first cylinder 34 and between the outer peripheral surface of the second displacer 39 and the inner peripheral surface of the second cylinder 35, respectively.

Seal devices

46 and 47 are mounted. For this reason, when the displacer 32 moves toward the top dead center, the high-pressure helium gas passes through the fluid passage 41 formed in the first displacer 38 and the fluid passage 43 formed in the second displacer 39. The first stage expansion chamber 56 formed between the first displacer 38 and the second displacer 39 and the second stage formed between the second displacer 39 and the tip wall of the second cylinder 35. Flows into expansion chamber 57. Along with this flow, the high-pressure helium gas is cooled by the

regenerators

42 and 44, eventually the high-pressure helium gas flowing into the first stage expansion chamber 56 is cooled, and the high-pressure helium gas flowing into the second stage expansion chamber 57 is also cooled. Is done.
[0041]
Here, the high pressure valve 55 is closed and the low pressure valve 53 is opened. When the low-pressure valve 53 is thus opened, the high-pressure helium gas in the first-stage expansion chamber 56 and the second-stage expansion chamber 57 expands to generate cold, and the first-stage cooling stage 10 and the second-stage cooling stage. -Endotherm is performed at the die 11. When the displacer 32 moves again to the bottom dead center, the helium gas in the first-stage expansion chamber 56 and the second-stage expansion chamber 57 is removed accordingly. The expanded helium gas cools the

regenerator materials

42 and 44 while passing through the

fluid passages

41 and 43, and is discharged at normal temperature. Thereafter, the cycle described above is repeated to perform the refrigeration operation.
[0042]
Since the second stage cooling stage 11 of the GM refrigerator 9 is thermally connected to the heat conducting member 8, when the operation of the GM refrigerator 9 is started, the sensible heat of the heat conducting member 8 is second stage cooled by conduction. It is absorbed by the stage 11. In addition, since the superconducting coil 6 is thermally connected to the heat conducting member 8 via the heat absorbing member 7, the sensible heat of the superconducting coil 6 is also absorbed by the second stage cooling stage 11 by conduction. That is, these sensible heat is absorbed by the GM refrigerator 9. Finally, the superconducting coil 6 is cooled to a temperature close to the lowest temperature reached by the second stage cooling stage 11, that is, 4K or less.
[0043]
At this temperature, the NbTi wire forming the superconducting coil 6 transitions to the superconducting state. Therefore, in this state, it is possible to energize the superconducting coil 6 through a power lead (not shown).
[0044]
When a current is passed through the superconducting coil 6, a leakage magnetic field is generated around the superconducting coil 6, and the first stage regenerator 61 and the second stage regenerator 62 of the GM refrigerator 9 are located in the leakage magnetic field. .
[0045]
However, since the regenerator material 42 of the first-stage regenerator 61 is formed of copper, the regenerator material 42 is not magnetized by the leakage magnetic field.
[0046]
On the other hand, the regenerator material 44 of the last-stage regenerator 62 is made of a magnetic material, but since it is made of an antiferromagnetic material, its magnetization level is extremely small. That is, Er which is an antiferromagnetic material _Three Ni and ferromagnetic materials ErNi and Er _Three Co exhibits excellent cold storage characteristics at extremely low temperatures. However, as shown in FIG. 5, the magnetization characteristics with respect to an externally applied magnetic field are greatly different. _Three Ni is more difficult to be magnetized.
[0047]
Therefore, as in the present embodiment, in the case where an antiferromagnetic material is used as the regenerator material of the last-stage regenerator 62, the force applied to the regenerator 62 due to the leakage magnetic field from the superconducting coil 6 is sufficiently small. it can. As a result, it is possible to prevent the regenerator 62, specifically, the tilt of the displacer 32 from occurring due to the leakage magnetic field, and it is possible to prevent heat generation due to friction between the displacer 32 and the cylinder, so that the temperature of the second stage cooling stage 11 can be prevented. Stability can be improved, and temperature fluctuation of the superconducting coil 6 that causes quenching can be eliminated.
[0048]
In the GM refrigerator 9, the lowest temperature reached by the second stage cooling stage 11 is greatly influenced by the material of the regenerator material used in the last stage regenerator 62. Table 1-1 shows the regenerator material that can make the lowest temperature of the second stage cooling stage 11 the liquid helium temperature below 4.2K. In addition, in the column of the cold storage material of Table 1-1, the right side shows the material filled in the low temperature side. The cold storage materials shown in Table 1-1 are both magnetic materials, and their characteristics are as shown in Table 1-2. FIG. 6 shows specific heat characteristics of some materials with respect to temperature.
[0049]
[Table 1]

The inventors use the apparatus shown in FIG. 1 to actually operate the GM refrigerator 9 using the regenerators A to G shown in Table 1-1 as the last-stage regenerator 62 of the GM refrigerator 9. A cooling test was conducted. In either case, it was confirmed that the final reached temperature of the second stage cooling stage 11 was 4.2 K or lower and was stable. It was also confirmed that the superconducting coil 6 using the NbTi wire was also cooled to substantially the same temperature as the second stage cooling stage 11.
[0050]
Next, when the regenerators C and D shown in Table 1-1 were used, the superconducting coil 6 was energized, and the relationship between the coil empirical magnetic field and the temperature of the superconducting coil 6 was examined. As a result, as indicated by C and D in FIG. 7, it was confirmed that the temperature of the superconducting coil 6 rapidly increases as the coil experience magnetic field is increased. In addition, the broken line in FIG. 7 is a temperature characteristic of the critical magnetic field of the NbTi superconducting wire, and the superconducting coil 6 is quenched at the intersection with this. On the other hand, when the regenerators E and G shown in Table 1-1 were used, as a result of performing the same test, the regenerators C and D were used as shown by E and G in FIG. In comparison, it was confirmed that the temperature rise of the superconducting coil 6 was much more gradual and the quench magnetic field was higher.
[0051]
The regenerators C and D use a ferromagnetic material as a regenerator, and the regenerators E and G use an antiferromagnetic material as a regenerator. Therefore, it was confirmed that it is effective to use an antiferromagnetic material as the cold storage material.
[0052]
Moreover, the relationship between the frequency | count of electricity supply to the superconducting coil 6 and the temperature of the superconducting coil 6 was investigated about the case where the regenerators C and E shown by Table 1-1 were used. As a result, the data shown in FIG. 8 was obtained. As can be seen from FIG. 8, when the regenerator C is used, the variation in the coil temperature for each energization is large. When the energization is repeated, the coil temperature rises and the refrigerating capacity of the freezer deteriorates. On the other hand, when the regenerator E is used, the deterioration of the refrigerating capacity due to the number of energizations is not seen, and the fluctuation of the coil temperature is small.
[0053]
Therefore, by using an antiferromagnetic material as the regenerator material of the last-stage regenerator 62, it is possible to suppress the deterioration of the refrigeration performance associated with the long-term operation, and the maintainability can be greatly improved.
[0054]
FIG. 9 shows a schematic configuration of a superconducting magnet apparatus according to another embodiment of the present invention. In this figure, the same functional parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Therefore, detailed description of overlapping parts is omitted.
[0055]
In the superconducting magnet device according to this embodiment, the lowest temperature side of the regenerator 62 at the final stage in the GM refrigerator 9 is drawn perpendicularly to the central axis 72 of the superconducting coil 6 through the center 71 of the superconducting coil 6. It is made to be located in the vicinity of the line 73.
[0056]
Now, with respect to the superconducting coil 6 and the space around it, the center 71 of the superconducting coil 6 is set as the origin, the coil center axis 72 passes through the z axis, the coil center 71 passes toward the direction perpendicular to the center axis 72, and 2. Two perpendicular axes are defined as an x-axis and a y-axis, respectively.
[0057]
When a current is passed through the superconducting coil 6 to generate a magnetic field, the direction of the magnetic field in the space is the direction of the line extending from the white circle as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). When a magnetic body having a finite magnetization is placed in this space, the magnetic body receives a force proportional to the magnitude of the magnetization and the magnitude of the magnetic field gradient.
[0058]
[Expression 1]

Therefore, when ErNi, which is a ferromagnetic material, is placed in the space, as shown in FIG. 10 (c), ErNi is subjected to a force having an orientation and a magnitude corresponding to the position where the ErNi is placed.
[0059]
As can be seen from this figure, no force is applied when placed on the x-axis. In this embodiment, the GM refrigerator 9 is arranged so that the regenerator 62 is positioned on the x axis, that is, on the line 73. Specifically, the arrangement is as follows. That is, during operation, the temperature distribution between the low temperature end and the high temperature end of the regenerator 62 is normally as shown in FIG.
Although the temperature at the high temperature end side varies greatly, the temperature is close to the temperature at the low temperature end in about half of the region from the low temperature end to the high temperature end side, and the variation is small. Therefore, since the regenerator material made of a ferromagnetic material housed in the regenerator 62 can be regarded as having a particularly large magnetization when present in a region about half from the lowest temperature end side, An approximately center 74 of about a half region is disposed so as to be positioned in the vicinity of a line 73 drawn perpendicularly to the central axis 72 of the superconducting coil 6 through the center 71 of the superconducting coil 6.
[0060]
With such a configuration, it is possible to prevent the displacer from being tilted due to the leakage magnetic field and prevent heat generation due to friction between the displacer and the cylinder. Temperature stability can be improved, and temperature fluctuation of the superconducting coil 6 that causes quenching can be eliminated. Further, in this case, there is an advantage that any material can be used as the regenerator material of the regenerator 62 regardless of a ferromagnetic material or an antiferromagnetic material.
[0061]
The above-described example is a case where the axis of the GM refrigerator 9 is parallel to the central axis of the superconducting coil 6, but when the axes of the regenerator 62 are perpendicular to each other as shown in FIG. By arranging the GM refrigerator 9 so as to be located on the extension line of the line 73, the same effect can be obtained.
[0062]
In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above. For example, the first cooling stage 10 of the GM refrigerator 9 may be used to cool a heat shield plate for preventing intrusion of radiant heat. Further, the heat conducting member 8 may be formed in a flexible configuration so that the assembling property can be improved and the vibration absorbing function can be exhibited.
In addition, as described in the section of the prior art, the problem of the system for directly cooling the superconducting coil confirmed by the present inventors with a regenerative refrigerator is that the superconducting coil uses a refrigerant represented by liquid helium. It is considered that this also occurs when the superconducting coil and the regenerative refrigerator are arranged close to each other in the system for cooling the battery.
[0063]
Therefore, if the present invention is applied to a system that cools a superconducting coil with a regenerative refrigerator via a cryogenic refrigerant, the same actions and effects as in the above embodiment can be obtained. Furthermore, in order to cool a superconducting coil used in a magnetic levitation train (linear motor car) or the like, a combination of a regenerative refrigerator (GM refrigerator) and a refrigerator (JT refrigerator) using the Joule-Thomson effect is used. However, the present invention can also be applied to such a system.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to prevent the cooling performance from being lowered due to the leakage magnetic field from the superconducting coil.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a superconducting magnet device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of an essential part of a GM refrigerator incorporated in the apparatus.
FIG. 3 is a sectional view of a final stage regenerator in the GM refrigerator.
FIG. 4 is a diagram showing the specific heat characteristics of the regenerator material used in the final stage regenerator.
FIG. 5 is a diagram showing a comparison of magnetization characteristics between an antiferromagnetic material and a ferromagnetic material.
FIG. 6 is a diagram showing specific heat characteristics of various cold storage materials.
FIG. 7 is a diagram showing a comparison of the cooling performance of an antiferromagnetic material and a ferromagnetic material used as the regenerator material of the final stage regenerator.
FIG. 8 is a diagram showing a comparison of the cooling performance of the last-stage regenerator with the use of an antiferromagnetic material and the use of a ferromagnetic material as a regenerator material.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a superconducting magnet device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a magnetic field gradient around a superconducting coil and a force applied to a magnetic body placed in the magnetic field.
FIG. 11 is a diagram for explaining the temperature distribution in the final stage regenerator.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a main part of a superconducting magnet device according to still another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Vacuum container 6 ... Superconducting coil
7 ... endothermic member 8 ... heat conducting member
9 ... GM refrigerator 10 ... First cooling stage
11 ...

Second cooling stage

42, 44 ... Cold storage material
61 ... First stage regenerator 62 ... Last stage regenerator

Claims

ＮｂＴｉ線で形成されている超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で熱伝導部材を介して直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する蓄冷器の内部には蓄冷材として反強磁性材料で形成されている粒状粉が収納されていることを特徴とする超電導磁石装置。 In a superconducting magnet apparatus that conducts and cools a superconducting coil formed of NbTi wire directly through a heat conducting member with a regenerative cryogenic refrigerator, leakage caused by the cryogenic refrigerator around the superconducting coil A superconducting magnet which is arranged in a magnetic field and contains granular powder made of an antiferromagnetic material as a regenerator inside a regenerator that reaches the minimum cooling temperature in the cryogenic refrigerator. apparatus.

４Ｋ以下に冷却されるべき超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で熱伝導部材を介して直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する蓄冷器の内部には蓄冷材として反強磁性材料で形成されている粒状粉が収納されていることを特徴とする超電導磁石装置。 In a superconducting magnet apparatus that directly conducts and cools a superconducting coil to be cooled to 4K or less via a heat conduction member with a regenerative cryogenic refrigerator, leakage caused by the cryogenic refrigerator around the superconducting coil A superconducting magnet, which is arranged in a magnetic field and contains granular powder made of an antiferromagnetic material as a regenerator inside a regenerator that reaches the minimum cooling temperature in the cryogenic refrigerator. apparatus.

前記反強磁性材料は、ネール温度が３０Ｋ以下であり、かつデバイ温度が200K以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導磁石装置。The superconducting magnet device according to claim 1 or 2 , wherein the antiferromagnetic material has a Neel temperature of 30K or lower and a Debye temperature of 200K or lower.

前記超電導コイルが筒状の熱吸収部材内に配置され、この熱吸収部材が熱伝導部材に熱的に接続され、この熱伝導部材が前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する最終段蓄冷器に熱的及び機械的に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導磁石装置。The superconducting coil is disposed in a cylindrical heat absorbing member, the heat absorbing member is thermally connected to the heat conducting member, and the heat conducting member reaches the lowest cooling temperature in the cryogenic refrigerator. The superconducting magnet device according to claim 1 , wherein the superconducting magnet device is thermally and mechanically connected to the vessel.

超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機の中の最低冷却温度に達する蓄冷器の蓄冷材が磁性材で形成され、且つ、この蓄冷器の最低温側が上記超電導コイルの中心を通り、上記超電導コイルの中心軸に対して垂直に延びる軸線上に位置していることを特徴とする超電導磁石装置。 In a superconducting magnet device that directly conducts and cools a superconducting coil with a regenerative cryogenic refrigerator, the cryogenic refrigerator is arranged in a leakage magnetic field generated around the superconducting coil, and the inside of the cryogenic refrigerator is The regenerator material of the regenerator that reaches the minimum cooling temperature is formed of a magnetic material, and the lowest temperature side of the regenerator passes through the center of the superconducting coil and is on an axis extending perpendicular to the central axis of the superconducting coil. A superconducting magnet device characterized by being positioned.

前記超電導コイルが筒状の熱吸収部材内に配置され、この熱吸収部材が熱伝導部材に熱的に接続され、この熱伝導部材が前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する最終段蓄冷器に熱的及び機械的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の超電導磁石装置。 The superconducting coil is disposed in a cylindrical heat absorbing member, the heat absorbing member is thermally connected to the heat conducting member, and the heat conducting member reaches the lowest cooling temperature in the cryogenic refrigerator, and is stored in the final stage cold storage. The superconducting magnet device according to claim 5, wherein the superconducting magnet device is thermally and mechanically connected to the vessel.