JP5539022B2 - 伝導冷却超電導マグネット装置 - Google Patents

Description

本発明は、伝導冷却超電導マグネット装置に関する。

初期冷却時間を短縮するために、冷凍機とは別に、冷却材を流す配管を設けた伝導冷却超電導マグネット装置を開示した先行文献として、特許文献１および２がある。

特許文献１に記載の超電導コイル装置においては、両端部が真空容器外へ引出されているとともに、中間部が超電導コイルに熱接触している冷却配管を備えている。冷却配管は、熱的に非接触な状態で輻射シールドを貫通する第１のシールド貫通部と、熱接触した状態で輻射シールドを貫通する第２のシールド貫通部とを有している。

特許文献２に記載の超電導マグネットにおいては、輻射シールド内に配設された冷媒容器と真空容器の外部に配設された冷媒供給系および冷媒排出系とそれぞれ連通する冷媒供給間および冷媒排出管とを具備している。冷媒容器と超電導コイルとは、直接または熱伝導部材を介して熱的に接続されている。

特開平１１−３４００２８号公報 特開２０００−１８２８２１号公報

上記のように、冷却材を流す配管を超電導コイルに接触させることにより、冷凍機による冷却と配管内を流される冷却材による冷却とにより、超電導コイルを短時間で冷却することが可能になる。

伝導冷却超電導マグネット装置においては、外部と接している真空容器を貫通または真空容器に接触しつつ、輻射シールドを貫通または輻射シールドに接触している配設部材が存在する。これらの配設部材は、真空容器から輻射シールドへ外部の熱を伝導するため、輻射シールド内の冷却を妨げる要因となっていた。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、初期冷却時間の短縮を図ることができる、伝導冷却超電導マグネット装置を提供することを目的とする。

本発明に基づく伝導冷却超電導マグネット装置は、真空容器と超電導コイルと輻射シールドと冷凍機と配設部材と冷却配管とを備えている。超電導コイルは、真空容器内に収容されている。輻射シールドは、真空容器内において超電導コイルの周囲を囲むように、真空容器と所定の間隔を置いて配置されている。冷凍機は、超電導コイルおよび輻射シールドを伝導で冷却している。配設部材は、真空容器と輻射シールドとの間に少なくとも一部が介在して、真空容器から輻射シールドへ熱が伝導している。冷却配管は、両端部が真空容器外へ引出され、中間部が超電導コイル、輻射シールドおよび配設部材と接触している。伝導冷却超電導マグネット装置は、冷却配管に流された冷却材に配設部材の熱を放出させることにより、輻射シールドに伝導する熱を低減させている。

本発明によれば、伝導冷却超電導マグネット装置の初期冷却時間の短縮を図ることができる。

本発明の実施形態１に係る伝導冷却超電導マグネット装置の構成を示す断面図である。 輻射シールド内の超電導コイル周辺を示す斜視図である。 電源に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。 図３のリードと冷却配管とを矢印ＩＶ方向から見た断面図である。 外部表示装置に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。 図５のリードと冷却配管とを矢印ＶＩ方向から見た断面図である。 電圧計に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。 図７のリードと冷却配管とを矢印ＶＩＩＩ方向から見た断面図である。 真空容器と輻射シールドとがＳＩを挟んで接触した状態を示す一部断面図である。 本発明の実施形態２に係る真空容器と輻射シールドとＳＩとの構成を示す一部断面図である。

以下、本発明に基づいた実施形態１における伝導冷却超電導マグネット装置について図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さない。
実施形態１
図１は、本発明の実施形態１に係る伝導冷却超電導マグネット装置の構成を示す断面図である。図１に示すように、本発明の実施形態１に係る伝導冷却超電導マグネット装置１００においては、外部との熱伝導を抑制するために内部を真空にされた真空容器１２０を備えている。

真空容器１２０内には、超電導線が巻線された超電導コイル１０が収容されている。超電導コイル１０は、コイル巻枠２０により周囲を巻装されている。超電導コイル１０は、一端が真空容器１２０の内壁に取付けられ、他端がコイル巻枠２０の側端部に連結された荷重支持体１８０により吊り下げられている。荷重支持体１８０としては、ＧＦＲＰ(Glass Fiber Reinforced Plastics)からなる板状部材を用いた。真空容器１２０内において超電導コイル１０の周囲を囲むように、真空容器１２０と所定の間隔を置いて輻射シールド１１０が配置されている。輻射シールド１１０も、荷重支持体１８０に接続されて支持されている。

外部から超電導コイル１０へ輻射熱が伝わるの抑制するために、輻射シールド１１０を覆うように輻射シールド１１０の外側面上に、多層構造の断熱材であるＳＩ（スーパーインシュレーション）１５０を配置している。本実施形態においては、真空容器１２０の内壁とＳＩ１５０とは直接接触しないように間に隙間が設けられている。

超電導コイル１０および輻射シールド１１０を伝導で冷却する冷凍機１３０が、真空容器１２０および輻射シールド１１０を貫通するように配置されている。冷凍機１３０としては、ＧＭ(ギフォード・マクマホン式)冷凍機を用いた。冷凍機１３０は、１段ステージと２段ステージとを備えている。冷凍機１３０の１段ステージは、輻射シールド１１０と接触している。冷凍機１３０の２段ステージは、熱伝導部材１４０を介して超電導コイル１０に接続されている。

初期冷却終了後の通常運転時には、冷凍機１３０の２段ステージにより、超電導コイル１０は所定の温度（たとえば４．２Ｋ）に維持される。また、冷凍機１３０の１段ステージにより輻射シールド１１０は、超電導コイル１０よりも高い温度（たとえば８０Ｋ）に維持される。

超電導コイル１０は、真空容器１２０の外側に配置された電源１９０と、真空容器１２０外に引出されたリード１９１，１９２により接続されている。リード１９１およびリード１９２は、導電材料が電気絶縁性を有する材料で被覆されて形成されている。

本実施形態においては、輻射シールド１１０内の超電導コイル１０の近傍に、輻射シールド１１０内の温度を確認するための温度計測部である温度計２１０を配置した。温度計２１０は、真空容器１２０の外側に配置された、温度計２１０の計測結果を表示する外部表示装置２００と、真空容器１２０外に引き出されたリード２０１により接続されている。リード２０１の真空容器１２０からの引出し位置に、コネクタ１２１が設けられている。

また、本実施形態においては、超電導コイル１０がクエンチしていないか確認するために超電導コイル１０の印加電圧を検出する電圧計測部である電圧計２２０が、真空容器１２０の外側に配置されている。超電導コイル１０は、電圧計２２０と、真空容器１２０外に引出されたリード２２１により接続されている。リード２２１の真空容器１２０からの引出し位置に、コネクタ１２２が設けられている。

輻射シールド１１０内に外部の熱が伝導することを抑制するためには、真空容器１２０と輻射シールド１１０との間が接続されていないことが好ましい。しかし、本実施形態の伝導冷却超電導マグネット装置１００においては、上述の通り、荷重支持体１８０、リード１９１，１９２，２０１，２２１の一部が、真空容器１２０と輻射シールド１１０との間に介在して、真空容器１２０と輻射シールド１１０とを間接的に接続している。

真空容器１２０と輻射シールド１１０とが間接的に接続されている場合、真空容器１２０から外部の熱が、真空容器１２０と輻射シールド１１０との間の介在部材を通じて輻射シールド１１０に伝導する。

言い換えると、本実施形態においては、荷重支持体１８０、リード１９１，１９２，２０１，２２１は、真空容器１２０と輻射シールド１１０との間に少なくとも一部が介在して、真空容器１２０から輻射シールド１１０へ熱が伝導する配設部材となる。配設部材としては、種々の部材が含まれ、上記の部材は一例に過ぎない。

伝導冷却超電導マグネット装置１００は、真空容器１２０の外に両端部が引出され、中間部が超電導コイル１０、輻射シールド１１０および上記の配設部材に接触している冷却配管１６０を備えている。

具体的には、図中の矢印で示す方向に冷却材１７０として、たとえば、液体ヘリウムを流すための流入口と、冷却材１７０の出口となる流出口とが、真空容器１２０の外側に配置されている。冷却材１７０としては、液体窒素を用いていもよい。冷却材１７０として液体ヘリウムを用いた場合には、冷却配管１６０を用いた冷却により４．２Ｋまで冷却することが可能となる。冷却材１７０として液体窒素を用いた場合には、冷却配管１６０を用いた冷却により７７Ｋまで冷却することが可能になる。

冷却配管１６０は、真空容器１２０および輻射シールド１１０を貫通して、超電導コイル１０の側端部に中間部が接触するように配置されている。本実施形態においては、超電導コイル１０の外周側のコイルに沿って、冷却配管１６０が配置されている。

また、冷却配管１６０は、荷重支持体１８０と輻射シールド１１０との接触位置を通過するように配置されている。さらに、冷却配管１６０の一部は、超電導コイル１０の側端部に接触する側とは分岐して、熱伝導部材１４０と接触するように配置されている。

超電導コイル１０を室温から所定の温度まで冷却する初期冷却を行なう場合には、冷凍機１３０を稼動させるとともに、液体ヘリウムを冷却材１７０として冷却配管１６０に流入させる。冷却材１７０は、超電導コイル１０と接触している部分の冷却配管１６０内を流動している間に、超電導コイル１０の熱を吸収する。

また、冷却材１７０は、輻射シールド１１０と接触している部分の冷却配管１６０内を流動している間に、輻射シールド１１０の熱を吸収する。このように、冷凍機１３０、および、冷却配管１６０に流された冷却材１７０により超電導コイル１０および輻射シールド１１０を冷却することにより、冷凍機１３０のみで冷却する場合に比べて、伝導冷却超電導マグネット装置１００の初期冷却に要する時間を短縮することができる。

本発明においては、さらに、冷却材１７０が、上記の配設部材と接触している部分の冷却配管１６０内を流動している間に、上記の配設部材の熱を吸収する。冷却配管１６０に流された冷却材１７０に配設部材の熱を放出させることにより、輻射シールド１１０に伝導する熱を低減させている。

本実施形態においては、冷却材１７０が、荷重支持体１８０と輻射シールド１１０との接触位置を通過している部分の冷却配管１６０内を流動している間に、真空容器１２０から荷重支持体１８０を介して輻射シールド１１０に伝導する熱を吸収する。

図２は、輻射シールド内の超電導コイル周辺を示す斜視図である。図２に示すように、超電導コイル１０は、側端部近傍以外の外周をコイル巻枠２０により覆われて支持されている。コイル巻枠２０と荷重支持体１８０との接続位置２４０に、冷却配管１６０の一部が接触するように配置されている。本実施形態においては、超電導コイル１０の両側の側端部に、冷却配管１６０が接触するように配置されている。

その結果、冷却材１７０が、荷重支持体１８０とコイル巻枠２０との接続位置２４０と接触している部分の冷却配管１６０内を流動している間に、荷重支持体１８０からコイル巻枠２０に伝導する熱を吸収する。

図３は、電源に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。図４は、図３のリードと冷却配管とを矢印ＩＶ方向から見た断面図である。図１においては簡易的に示していたが、図３に示すように、電源１９０に接続されたリード１９１およびリード１９２は、それぞれ冷却配管１６０に巻き付けられている。

図３に示すように、冷却配管１６０は、リード１９１およびリード１９２と輻射シールド１１０との接触位置を通過するように配置されている。リード１９１およびリード１９２は、それぞれ絶縁被覆されているが、互いに接触することにより短絡しないようにするために、図４に示すように、冷却配管１６０を挟んで反対側に位置するように配置されている。

その結果、冷却材１７０が、リード１９１およびリード１９２と輻射シールド１１０との接触位置を通過している部分の冷却配管１６０内を流動している間に、真空容器１２０からリード１９１またはリード１９２を介して輻射シールド１１０に伝導する熱を吸収する。

図５は、外部表示装置に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。図６は、図５のリードと冷却配管とを矢印ＶＩ方向から見た断面図である。図１においては簡易的に示していたが、図５，６に示すように、外部表示装置２００に接続されたリード２０１は、冷却配管１６０に巻き付けられている。

その結果、冷却材１７０が、リード２０１が巻き付けられている部分の冷却配管１６０内を流動している間に、真空容器１２０からリード２０１を介して輻射シールド１１０に伝導する熱を吸収する。

図７は、電圧計に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。図８は、図７のリードと冷却配管とを矢印ＶＩＩＩ方向から見た断面図である。図１においては簡易的に示していたが、図７，８に示すように、電圧計２２０に接続されたリード２２１は、冷却配管１６０に巻き付けられている。

その結果、冷却材１７０が、リード２２１が巻き付けられている部分の冷却配管１６０内を流動している間に、真空容器１２０からリード２２１を介して輻射シールド１１０に伝導する熱を吸収する。

上記のように冷却配管１６０を配置して、冷却配管１６０内において冷却材１７０を流動させることにより、配設部材の熱を冷却材１７０に吸収させて、真空容器１２０から輻射シールド１１０へ配設部材を介して熱が伝導することを低減することができる。よって、超電導コイル１０および輻射シールド１１０をさらに短時間で冷却することができるようになるため、伝導冷却超電導マグネット装置１００の初期冷却に要する時間を短縮することができる。

以下、本発明に基づいた実施形態２における伝導冷却超電導マグネット装置について図を参照して説明する。
実施形態２
図９は、真空容器と輻射シールドとがＳＩを挟んで接触した状態を示す一部断面図である。伝導冷却超電導マグネット装置の設置スペースに限りがある場合、図９に示すように、真空容器１２０と、輻射シールド１１０上に配置されたＳＩ１５０との間に隙間を確保できない場合がある。この場合、真空容器１２０からＳＩ１５０を介して輻射シールド１１０に外部の熱が伝導する。よって、この場合のＳＩ１５０は、実施形態１において説明した配設部材に該当する。

図１０は、本発明の実施形態２に係る真空容器と輻射シールドとＳＩとの構成を示す一部断面図である。図１０に示すように、本発明の実施形態２に係る伝導冷却超電導マグネット装置では、真空容器１２０とＳＩ１５０とが接触している部分において、輻射シールド１１０とＳＩ１５０との間に冷却配管１５０を配置している。冷却配管１６０を配置するためのスペースを確保するために、ＳＩ１５０の積層枚数を少なくしてもよい。

このようにすることにより、冷却配管１５０内を流される冷却材１７０は、ＳＩ１５０に接触している部分の冷却配管１６０内を流動している間に、真空容器１２０からＳＩ１５０を介して輻射シールド１１０に伝導する熱を吸収する。

その結果、超電導コイル１０および輻射シールド１１０をさらに短時間で冷却することができるようになるため、伝導冷却超電導マグネット装置１００の初期冷却に要する時間を短縮することができる。他の構成については、実施形態１と同様であるため説明を繰返さない。

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１０ 超電導コイル、２０ コイル巻枠、１００ 伝導冷却超電導マグネット装置、１１０ 輻射シールド、１２０ 真空容器、１２１，１２２ コネクタ、１３０ 冷凍機、１４０ 熱伝導部材、１５０，１６０ 冷却配管、１７０ 冷却材、１８０ 荷重支持体、１９０ 電源、１９１，１９２，２０１，２２１ リード、２００ 外部表示装置、２１０ 温度計、２２０ 電圧計、２４０ 接続位置。

Claims (1)

1. 真空容器と、
   前記真空容器内に収容された超電導コイルと、
   前記真空容器内において前記超電導コイルの周囲を囲むように、前記真空容器と所定の間隔を置いて配置された輻射シールドと、
   前記超電導コイルおよび前記輻射シールドを伝導で冷却する冷凍機と、
   前記真空容器と前記輻射シールドとの間に少なくとも一部が介在して、前記真空容器から前記輻射シールドへ熱が伝導する配設部材と、
   両端部が前記真空容器外へ引出され、中間部が前記超電導コイル、前記輻射シールドおよび前記配設部材と接触している冷却配管と
   を備え、
   前記冷却配管に流された冷却材に前記配設部材の熱を放出させることにより、前記輻射シールドに伝導する熱を低減させ、
   前記配設部材は、前記輻射シールドを覆うように前記輻射シールドの外側面上に配置されて前記真空容器と接触している断熱材を含む、伝導冷却超電導マグネット装置。

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