JP6440922B1 - 超電導マグネット - Google Patents

Abstract

超電導マグネット（１００）は、超電導コイル（１１０）と、冷媒容器（１２０）と、輻射シールド（１３０）と、真空容器（１４０）と、第１配管（１５０）と、冷凍機（１５３）と、仕切部（１５６）と、第２配管（１６０）と、第３配管（１７０）と、第４配管（１８０）と、少なくとも１つの放圧弁（１９０）とを備えている。冷凍機（１５３）は、第１配管（１５０）との間に気化した冷媒（１０Ｇ）の第１流路（１１）が構成されるように配置されている。第３配管（１７０）は、真空容器（１４０）より外側において第１配管（１５０）に接続され、真空容器（１４０）に接触しつつ延在している。第４配管（１８０）は、真空容器（１４０）より外側において第２配管（１６０）に接続され、真空容器（１４０）に接触しつつ延在している。放圧弁（１９０）は、第３配管（１７０）および第４配管（１８０）の各々に接続されている。

Description

本発明は、超電導マグネットに関する。

冷凍機を備えた超電導マグネットの構成を開示した先行文献として、特開平７−７４０１９号公報（特許文献１）がある。特許文献１に記載された超電導マグネットは、超電導コイルと、内槽容器と、輻射シールドと、外槽容器と、冷媒ガス液化用の冷凍機と、外部接続ポートと、シールド配管と、開放バルブとを備える。

超電導コイルは、内槽容器に収納されている。内槽容器は、液状の冷媒が充填されている冷媒容器である。輻射シールドは、内層容器を取り囲むように設けられている。外槽容器は、輻射シールドの外周を覆う真空容器である。冷媒ガス液化用の冷凍機は、外槽容器に組み込まれている。外部接続ポートに、注液配管およびガス回収配管が接続されている。シールド配管は、輻射シールドに沿って取り付けられている。開放バルブは、シールド配管内の冷媒ガスを外部に放出する。

特開平７−７４０１９号公報

超電導マグネットにおいては、停電時または輸送時などの電力が供給されないときに、外部接続ポートおよび冷媒ガス液化用の冷凍機の各々を通じて侵入した熱によって冷媒容器内の冷媒が気化する。気化した冷媒が外部に放出される際に通過する配管は、気化した冷媒の顕熱によって冷却される。

外部接続ポートおよび冷媒ガス液化用の冷凍機の各々からの熱侵入経路における熱侵入量は、互いに異なる。そのため、熱侵入量が大きい熱侵入経路および熱侵入量が小さい熱侵入経路の各々における熱侵入量に応じて、気化した冷媒による冷却が行われなければ、外部から冷媒容器への熱侵入を効果的に抑制できない。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、電力供給が停止した状態においても、外部から冷媒容器への熱侵入を効果的に抑制することができる、超電導マグネットを提供することを目的とする。

本発明に基づく超電導マグネットは、超電導コイルと、冷媒容器と、輻射シールドと、真空容器と、第１配管と、冷凍機と、仕切部と、第２配管と、第３配管と、第４配管と、少なくとも１つの放圧弁とを備えている。冷媒容器は、超電導コイルを液状の冷媒に浸漬した状態で収容している。輻射シールドは、冷媒容器の周りを囲んでいる。真空容器は、超電導コイル、冷媒容器および輻射シールドを収容している。第１配管は、真空容器および輻射シールドの各々を貫通して冷媒容器と接続され、真空容器より外側に取付口を有している。冷凍機は、取付口から第１配管に挿入されて、取付口を封じるように固定され、かつ、第１配管との間に気化した冷媒の第１流路が構成されるように配置されている。仕切部は、第１配管の内面と冷凍機との隙間に配置され、第１配管内を冷媒容器側と取付口側とに仕切りつつ第１流路の一部を構成している。第２配管は、真空容器および輻射シールドの各々を貫通して冷媒容器と接続され、気化した冷媒の第２流路を構成している。第３配管は、真空容器より外側において第１配管に接続され、真空容器に接触しつつ延在している。第４配管は、真空容器より外側において第２配管に接続され、真空容器に接触しつつ延在している。放圧弁は、第３配管および第４配管の各々に接続されている。

本発明によれば、第１流路および第２流路の各々における気化した冷媒の流量を調整することにより、熱侵入量に応じた流量で気化した冷媒を通流させることができるため、電力供給が停止した状態においても、真空容器および輻射シールドの各々を効果的に冷却して、外部から冷媒容器への熱侵入を効果的に抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る超電導マグネットについて図面を参照して説明する。以下の実施の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、その説明は繰り返さない。

なお、以下の実施の形態においては、中空円筒型の超電導マグネットについて説明するが、必ずしも中空円筒型超電導マグネットに限定されるものではなく、開放型の超電導マグネットにも本発明を適用できる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図１においては、超電導マグネットの上側部分の断面のみを示している。図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る超電導マグネット１００は、超電導コイル１１０と、冷媒容器１２０と、輻射シールド１３０と、真空容器１４０と、第１配管１５０と、冷凍機１５３と、仕切部１５６と、第２配管１６０と、第３配管１７０と、第４配管１８０と、少なくとも１つの放圧弁１９０とを備えている。

超電導コイル１１０は、たとえば、銅からなるマトリクスの中心部にニオブチタン合金を埋め込んで形成された超電導線が巻き回されて構成されている。超電導コイル１１０は、ステンレスまたはアルミニウムなどの非磁性材料から構成された巻枠１１１に巻き回されている。

冷媒容器１２０は、超電導コイル１１０および巻枠１１１を液状の冷媒１０に浸漬した状態で収容している。冷媒容器１２０は、超電導コイル１１０の外形と略相似形の中空円筒状の形状を有している。冷媒容器１２０は、ステンレスまたはアルミニウムなどの非磁性材料から構成されている。

冷媒容器１２０内において、巻枠１１１は、図示しない支持部に支持されて、冷媒容器１２０と間隔を置いた状態で固定されている。なお、超電導コイル１１０は冷媒容器１２０の底部に巻き回されていてもよく、この場合、巻枠１１１は設けられない。

本実施の形態において、液状の冷媒１０は液体ヘリウムであるが、超電導コイル１１０を超電導状態にすることができる冷媒であれば、特に限定されない。液状の冷媒１０は、たとえば、液体窒素でもよい。

輻射シールド１３０は、冷媒容器１２０の周りを囲んでいる。輻射シールド１３０は、冷媒容器１２０と略相似形の中空円筒状の形状を有している。輻射シールド１３０は、冷媒容器１２０と後述する真空容器１４０との間を断熱する機能を有している。輻射シールド１３０は、たとえば、アルミニウムなどの光の反射率の高い非磁性材料から構成されている。

本実施の形態に係る超電導マグネット１００は、輻射シールド１３０と後述する真空容器１４０との間に、多層断熱材１３５（スーパーインシュレーション）をさらに備えている。多層断熱材１３５は、輻射シールド１３０の外側を覆うように配置されている。多層断熱材１３５は、輻射シールド１３０の表面に張り付けられていてもよい。

真空容器１４０は、超電導コイル１１０、冷媒容器１２０および輻射シールド１３０を収容している。真空容器１４０は、輻射シールド１３０と略相似形の中空円筒状の形状を有している。

真空容器１４０内の冷媒容器１２０および輻射シールド１３０の各々は、図示しない複数の支持棒によって、真空容器１４０に対して固定されている。支持棒は、たとえば、ガラスエポキシで構成されている。真空容器１４０の内部は、図示しない減圧装置により真空になるように減圧されている。

真空容器１４０は、真空容器１４０の内側と外側とを真空断熱するために、たとえば、ステンレスまたはアルミニウムなどの非磁性材料から構成されている。

第１配管１５０は、真空容器１４０および輻射シールド１３０の各々を貫通して冷媒容器１２０と接続されている。第１配管１５０は、非磁性材料から構成され、たとえば、ステンレスから構成されている。第１配管１５０は、真空容器１４０より外側に取付口１５１を有している。

冷凍機１５３は、取付口１５１から第１配管１５０に挿入されて、取付口１５１を封じるように固定されている。冷凍機１５３は、取付口１５１に挿入された状態において、第１配管１５０の取付口１５１の上面と冷凍機１５３のフランジの下面との間に隙間ができないように、図示しないＯリングなどにより封止されている。

冷凍機１５３は、冷媒容器１２０の内部を冷却し、気化した冷媒１０Ｇを液化させる機能を有する。本実施の形態において、冷凍機１５３は、取り外しを行わない固定方式の冷凍機であり、冷凍機１５３としては、２段の冷凍ステージを有するギフォード・マクマホン型冷凍機またはパルスチューブ冷凍機を用いることができる。

本実施の形態において、冷凍機１５３は、第１冷凍ステージ１５４ａと、第２冷凍ステージ１５４ｂとを有している。第１冷凍ステージ１５４ａは、冷凍機１５３において、後述する仕切部１５６と接触している。第１冷凍ステージ１５４ａは、仕切部１５６および後述する第１伝熱部１５９を間に挟んで輻射シールド１３０の端部に接続されている。冷凍機１５３の運転時においては、第１冷凍ステージ１５４ａが、第１配管１５０の内部だけでなく、輻射シールド１３０も冷却している。

冷凍機１５３の第２冷凍ステージ１５４ｂは、冷媒容器１２０と第１配管１５０との接続部より上方であって、第１冷凍ステージの下方に位置している。冷凍機１５３の運転時において、第２冷凍ステージ１５４ｂは、気化した冷媒１０Ｇを再液化させる。

冷凍機１５３は、第１配管１５０との間に気化した冷媒１０Ｇの第１流路１１が構成されるように配置されている。冷凍機１５３が停止している際、第１流路１１を流れる冷媒１０Ｇと冷凍機１５３との熱交換により、冷凍機１５３が冷却される。これにより、停止中の冷凍機１５３を経由して、熱が冷媒容器１２０に侵入することを抑制できる。

仕切部１５６は、第１配管１５０の内面と冷凍機１５３との隙間に配置されている。仕切部１５６は、第１配管１５０内を冷媒容器１２０側と取付口１５１側とに仕切りつつ第１流路１１の一部を構成している。仕切部１５６によって第１配管１５０内が仕切られることにより、冷凍機１５３の運転時に冷媒容器１２０内を効率よく冷却することができる。

仕切部１５６は、第１配管１５０内の冷凍機１５３を取り囲むように、第１配管１５０の中心軸に対して周方向に延在している。仕切部１５６には、第１流路１１の一部となる複数の孔部１５７が設けられている。複数の孔部１５７は、仕切部１５６において、周方向に互いに間隔を空けて配置され、第１配管１５０内の冷媒容器１２０側と取付口１５１側とを連通させる。

このように設けられた複数の孔部１５７を、気化した冷媒１０Ｇが通流することにより、停止中の冷凍機１５３と気化した冷媒１０Ｇとが、仕切部１５６を介して効率よく熱交換することができる。なお、複数の孔部１５７は、仕切部１５６の周方向において等間隔に配置されていることが好ましい。

仕切部１５６は、第１配管１５０を間に挟んで輻射シールド１３０の端部と対向するように位置している。仕切部１５６がこのように位置しているため、冷凍機１５３の停止時において、仕切部１５６内を流れる気化した冷媒１０Ｇの顕熱によって、第１配管１５０を介して輻射シールド１３０を冷却することができる。ひいては、電力供給が停止した状態において、外部から冷媒容器１２０への熱侵入をより効果的に抑制できる。

仕切部１５６は、熱伝導性の良い材料で構成されることが好ましい。仕切部１５６は、たとえば、銅で構成されている。

本実施の形態に係る超電導マグネット１００は、環状の第１伝熱部１５９をさらに備えている。本実施の形態において、第１伝熱部１５９は、第１配管１５０の周壁の一部を構成しているが、第１伝熱部１５９は、第１配管１５０の周壁の外周に接触するように設けられていてもよい。

本実施の形態において、第１伝熱部１５９は、仕切部１５６と接触するように位置している。具体的には、第１伝熱部１５９は、孔部１５７を塞がないように、仕切部１５６の外周部に接触している。第１伝熱部１５９が、第１配管１５０の周壁の外周に接触するように設けられている場合、第１伝熱部１５９は、第１配管１５０の周壁を間に挟んで仕切部１５６に間接的に接続されている。

第１伝熱部１５９は、仕切部１５６と輻射シールド１３０の端部との間に位置している。これにより、冷凍機１５３の停止時において、仕切部１５６内を流れる気化した冷媒１０Ｇの顕熱によって、第１伝熱部１５９を介して輻射シールド１３０をより効率的に冷却することができる。さらに、仕切部１５６は冷凍機１５３の第１冷凍ステージと接触しているため、超電導マグネット１００の運転時において、輻射シールド１３０をより効率的に冷却することができる。

第１伝熱部１５９は、熱伝導性の良い材料で構成されることが好ましい。第１伝熱部１５９は、たとえば、銅で構成されている。

第２配管１６０は、真空容器１４０および輻射シールド１３０の各々を貫通して冷媒容器１２０と接続され、気化した冷媒１０Ｇの第２流路１２を構成している。第２配管１６０は、非磁性材料から構成され、たとえば、ステンレスから構成されている。本実施の形態において、第２配管１６０は、真空容器１４０よりも外側において、引出し口１６１を有している。

本実施の形態に係る超電導マグネット１００は、超電導コイル１１０に電気的に接続された電流リード１６２をさらに備えている。電流リード１６２は、第２配管１６０の内部を通って引出し口１６１から外部に、機密に引き出されている。外部に引き出された電流リード１６２の先端は、電力を供給する図示しない電源に接続されている。

本実施の形態における電流リード１６２は、取り外しを行なわない固定方式の電流リードである。電流リード１６２の材料は、りん脱酸銅を主成分とする。ただし、電流リード１６２の材料の主成分は、りん脱酸銅に限られず、黄銅または電気銅などでもよい。

本実施の形態に係る超電導マグネット１００は、環状の第２伝熱部１６９をさらに備えている。本実施の形態において、第２伝熱部１６９は、第２配管１６０の周壁の外周に接触するように設けられているが、第２伝熱部１６９は、第２配管１６０の周壁の一部を構成していてもよい。

第２伝熱部１６９は、第２配管１６０と、輻射シールドの端部との間に位置している。これにより、冷凍機１５３が停止している際、第２流路１２を流れる気化した冷媒１０Ｇの顕熱によって、第２伝熱部１６９を介して輻射シールド１３０をより効率的に冷却することができる。

第２伝熱部１６９は、熱伝導性の良い材料で構成されることが好ましい。第２伝熱部１６９は、たとえば、銅で構成されている。

第３配管１７０は、真空容器１４０より外側において第１配管１５０に接続され、真空容器１４０に接触しつつ延在している。第３配管１７０は、気化した冷媒１０Ｇの第１流路１１の他の一部を構成している。気化した冷媒１０Ｇの顕熱により、第３配管１７０に接触している真空容器１４０が冷却されるため、外部からの熱侵入をより効果的に抑制できる。

第３配管１７０は、非磁性材料で構成され、たとえば、銅で構成されている。
第４配管１８０は、真空容器１４０より外側において第２配管１６０に接続され、真空容器１４０に接触しつつ延在している。第４配管１８０は、気化した冷媒１０Ｇの第２流路１２の他の一部を構成している。気化した冷媒１０Ｇの顕熱により、第４配管１８０に接触している真空容器１４０が冷却されるため、外部からの熱侵入をより効果的に抑制できる。

第４配管１８０の材料は、非磁性材料で構成され、たとえば、銅で構成されている。
第３配管１７０および第４配管１８０の各々の内径および長さは、電力供給の停止時における、第１配管１５０を通じた熱侵入量と第２配管１６０を通じた熱侵入量とに応じて、設定される。具体的には、第１配管１５０を通じた熱侵入量が、第２配管１６０を通じた熱侵入量より大きいため、第１流路１１を流れる気化した冷媒１０Ｇの流量が、第２流路１２を流れる気化した冷媒１０Ｇの流量よりも大きくなるように、第３配管１７０および第４配管１８０の各々の内径および長さが設定される。

すなわち、第３配管１７０および第４配管１８０の各々は、第１流路１１を流れる気化した冷媒１０Ｇの流量が、第２流路１２を流れる気化した冷媒１０Ｇの流量よりも大きくなるように構成されている。

放圧弁１９０は、第３配管１７０および第４配管１８０の各々に接続されている。気化した冷媒１０Ｇは、第３配管１７０内の第１流路１１および第４配管１８０内の第２流路１２の各々を流れたのち、放圧弁１９０から放出される。

本実施の形態においては、第３配管１７０および第４配管１８０が共に１つの放圧弁１９０に接続されている。具体的には、第３配管１７０および第４配管１８０の各々は、接続配管１９１に接続され、接続配管１９１は、１つの放圧弁１９０に接続されている。なお、第３配管１７０および第４配管１８０は、それぞれ、異なる２つの放圧弁１９０に接続されていてもよい。

上記のように、第１流路１１は、冷媒容器１２０から第１配管１５０および第３配管１７０を通じて放圧弁１９０まで設けられている。第２流路１２は、冷媒容器１２０から第２配管１６０および第４配管１８０を通じて放圧弁１９０まで設けられている。

上記のように、本発明の一実施の形態に係る超電導マグネット１００においては、第３配管１７０および第４配管１８０の各々が、真空容器１４０に接触しつつ延在している。そのため、熱侵入量に応じて第１流路１１および第２流路１２の各々における気化した冷媒１０Ｇの流量を調整することで、電力供給が停止した状態においても、真空容器１４０および輻射シールド１３０の各々を効率的に冷却して、外部から冷媒容器１２０への熱侵入を効果的に抑制することができる。

さらに、仕切部１５６が、第１配管１５０内の冷凍機１５３を取り囲むように、第１配管１５０の中心軸に対して周方向に延在しており、仕切部１５６に、周方向に互いに間隔を空けて配置され、冷媒容器１２０側と取付口１５１側とを連通させる、第１流路１１の一部となる複数の孔部１５７が設けられていることにより、複数の孔部１５７を通過する気化した冷媒１０Ｇによって仕切部１５６をより均一に冷却できるため、冷媒容器１２０への熱侵入を効果的に抑制することができる。

そして、第３配管１７０および第４配管１８０が共に１つの放圧弁１９０に接続され、第３配管１７０および第４配管１８０の各々は、第１流路１１を流れる気化した冷媒１０Ｇの流量が、第２流路１２を流れる気化した冷媒１０Ｇの流量よりも大きくなるように構成されている。これにより、流量調整弁などの機構を用いることなく、熱侵入量に応じて第１配管１５０および第２配管１６０の各々を冷却することができるため、電力供給が停止した状態においても、超電導マグネット１００の外部から冷媒容器１２０への熱侵入を効果的に抑制できる。

ただし、上記の実施の形態に限られず、第３配管１７０および第４配管１８０の各々の内径および長さが互いに同一であり、第１配管１５０内に位置する第１流路１１と、第２配管１６０内に位置する第２流路１２とが、第１配管１５０を通じた熱侵入量と第２配管１６０を通じた熱侵入量とに応じた流路面積を有するように構成されていてもよい。

なお、今回開示した上記実施の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、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、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。

１０，１０Ｇ 冷媒、１１ 第１流路、１２ 第２流路、１００ 超電導マグネット、１１０ 超電導コイル、１１１ 巻枠、１２０ 冷媒容器、１３０ 輻射シールド、１３５ 多層断熱材、１４０ 真空容器、１５０ 第１配管、１５１ 取付口、１５３ 冷凍機、１５４ａ 第１冷凍ステージ、１５４ｂ 第２冷凍ステージ、１５６ 仕切部、１５７ 孔部、１５９ 第１伝熱部、１６０ 第２配管、１６１ 引出し口、１６２ 電流リード、１６９ 第２伝熱部、１７０ 第３配管、１８０ 第４配管、１９０ 放圧弁、１９１ 接続配管。

Claims (3)

1. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルを液状の冷媒に浸漬した状態で収容する冷媒容器と、
   前記冷媒容器の周りを囲む輻射シールドと、
   前記超電導コイル、前記冷媒容器および前記輻射シールドを収容する真空容器と、
   前記真空容器および前記輻射シールドの各々を貫通して前記冷媒容器と接続され、前記真空容器より外側に取付口を有する第１配管と、
   前記取付口から前記第１配管に挿入されて、前記取付口を封じるように固定され、かつ、前記第１配管との間に気化した前記冷媒の第１流路が構成されるように配置された冷凍機と、
   前記第１配管の内面と前記冷凍機との隙間に配置され、前記第１配管内を冷媒容器側と取付口側とに仕切りつつ前記第１流路の一部を構成する仕切部と、
   前記真空容器および前記輻射シールドの各々を貫通して前記冷媒容器と接続され、気化した前記冷媒の第２流路を構成する第２配管と、
   前記真空容器より外側において前記第１配管に接続され、前記真空容器に接触しつつ延在する第３配管と、
   前記真空容器より外側において前記第２配管に接続され、前記真空容器に接触しつつ延在する第４配管と、
   前記第３配管および前記第４配管の各々に接続される少なくとも１つの放圧弁とを備える、超電導マグネット。
2. 前記仕切部は、前記第１配管内の前記冷凍機を取り囲むように、前記第１配管の中心軸に対して周方向に延在しており、
   前記仕切部には、前記周方向に互いに間隔を空けて配置され、前記冷媒容器側と前記取付口側とを連通させる、前記第１流路の前記一部となる複数の孔部が設けられている、請求項１に記載の超電導マグネット。
3. 前記第３配管および前記第４配管が共に１つの前記放圧弁に接続されており、
   前記第３配管および前記第４配管の各々は、前記第１流路を流れる気化した前記冷媒の流量が、前記第２流路を流れる気化した前記冷媒の流量よりも大きくなるように構成される、請求項１または請求項２に記載の超電導マグネット。

Images