JP6445752B2

JP6445752B2 - 超電導磁石装置

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Publication number: JP6445752B2
Application number: JP2013137459A
Authority: JP
Inventors: 高橋　政彦; 政彦高橋; 泰造戸坂; 寛史宮崎; 貞憲岩井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: US9305691B2; US20150051079A1; JP2015012193A; DE102014009568A1; CN104252942A; CN104252942B

Description

本発明は、高磁場を発生させる超電導磁石装置に関する。

極低温に冷却したときに電気抵抗がゼロになる性質を利用して、超電導コイルは、ジュール熱を発生させずに電流密度を大きくすることができ、高磁場を発生するのに適している。このような超電導コイルから構成される超電導磁石装置は、高磁場発生装置として、物性の研究分野等で広く利用されている。
ここで、超電導コイルは４Ｋ程度の極低温に冷却する必要があり、液体ヘリウムなどを冷媒として用いている。

この液体ヘリウムは、直接的な取り扱いが難しく資源的にも恵まれていないために、近年は極低温冷凍機を用いて超電導コイル冷却する方法が普及してきている。
この極低温冷凍機の普及に伴い、特に、高温超電導体の実用化が急速に進展している。
例えば、高温超電導コイルと低温超電導コイルとを組み合わせることにより、小型の冷凍機を用いた高磁場の発生装置が開発されている（例えば、非特許文献１）。

ＴＥＩＯＮＫＯＵＧＡＫＵ（Ｊ．Ｃｒｙｏ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．）Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．７Ｐ３２２−３２７

上述した超電導磁石装置は、定常時においては熱侵入と接続部発熱による１〜２Ｗ程度の熱量を冷却するだけで充分であるが、励磁時又は消磁時においては磁場変化に伴う磁気ヒステリシス損失により定常時の数倍発熱する。
そのため超電導磁石装置のさらなる実用化を推進するために冷凍機は、この励消磁時の発熱に対応するため、大きな冷凍能力が要求されている。

低温超電導コイルは、極細多芯線などの低損失導体の開発により磁気ヒステリシス損失の低減が図られているが、高温超電導コイルは、磁気ヒステリシス損失が大きい。
一方で、高磁場化を目指すためには高温超電導コイルを大型化する要請があり、冷凍能力の大幅な増強を達成させなければならない課題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、大きな発熱に対して高効率に冷却することができる超電導磁石装置を提供することを目的とする。

本発明の超電導磁石装置において、真空容器中に配置される、高温超電導コイルからな
る第１超電導コイル及びこの高温超電導コイルと同軸に配置され高温超電導コイルよりも
超電導が発現する臨界温度が低い低温超電導コイルからなる第２超電導コイルと、前記第
１超電導コイルの両端にガス循環伝熱回路から延びる配管から送られる低温のガスによっ
て熱交換する冷却ステージを備え、この第１超電導コイルの両端から冷却する、蓄冷式冷
凍機と前記ガス循環伝熱回路とを組み合わせた冷却方式である第１冷却部と、前記第１冷
却部から独立して制御され、蓄冷式冷凍機とジュール・トムソン冷凍機とを組み合わせた
冷却方式であるとともに前記第２超電導コイルを冷却する第２冷却部と、を備えることを
特徴とする。

本発明により、高磁場を発生させることができ、大きな発熱に対して高効率に冷却することができる超電導磁石装置が提供される。

本発明に係る超電導磁石装置の第１実施形態を示すブロック図。本発明に係る超電導磁石装置の第２実施形態を示すブロック図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係る超電導磁石装置３０は、真空容器３１中に配置される第１超電導コイル１１と、この第１超電導コイル１１と同軸に配置される第２超電導コイル１２と、第１超電導コイル１１を冷却する第１冷却部１０と、この第１冷却部１０から独立して制御されるとともに第２超電導コイル１２を冷却する第２冷却部２０と、を備えている。

各実施形態において第１超電導コイル１１は、高温超電導コイル１１である。
この高温超電導コイル１１の片側端面には、第１冷却ステージ１４が接続されており、この第１冷却ステージ１４が、第１冷却部１０と熱交換する。

各実施形態において第２超電導コイル１２は、低温超電導コイル１２である。
この低温超電導コイル１２の片側端面には、第２冷却ステージ１５が接続されており、この第２冷却ステージ１５が、第２冷却部２０と熱交換する。

このように、円筒形状の第１超電導コイル１１及び第２超電導コイル１２が同軸に配置されることにより、第１超電導コイル１１で発生した磁場と、第２超電導コイル１２で発生した磁場とが重畳して、磁場空間１３に高強度の磁場を発生させる。
また、この第１超電導コイル１１及び第２超電導コイル１２は、互いに接触しないように真空容器中３１に支持されているので、それぞれ第１冷却部１０及び第２冷却部２０により独立に温度制御される。

なお、各実施形態において、内側に高温超電導コイルを配置し、外側に低温超電導コイルを配置しているが、この関係が逆転している場合もあるし、第１超電導コイル１１及び第２超電導コイル１２が共に高温超電導コイルである場合も、共に低温超電導コイルである場合も含まれる。
ここで、狭義において、高温超電導コイルとは、超電導が発現する臨界温度が約２５K以上である、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀、ＭｇＢ₂等の超電導材料を用いたコイルであり、低温超電導コイルとは、臨界温度が約２５Ｋ以下であるＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ等の超電導材料を用いたコイルである。

また、広義において、高温超電導コイルとは、低温超電導コイルよりも、超電導が発現する臨界温度が、高温であるものを指す。
また、各実施形態において配置されている超電導コイルは二つであり、一つの超電導コイルに対し一つの冷却部が対応しているが、超電導コイルが三つ以上配置される場合もあり、一つの冷却部が二つ以上の超電導コイルの冷却を担当する場合もある。
また、円筒形状の第１超電導コイル１１及び第２超電導コイル１２が同軸に配置される例で示したが、必要に応じて４コイルまたは６コイルを２個ずつ対向するように水平面上に配置する場合もある。

第１冷却部１０は、ギフォード・マクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）３２ａとガス循環伝熱回路４０とを組み合わせた構成となっている。
ギフォード・マクマホン冷凍機３２ａで冷却された低温のガスは、冷却ステージ１４に送られて熱交換した後に、ガス循環伝熱回路４０を循環して熱交換器４２に送られる。

ガス循環伝熱回路４０は、ガス循環圧縮機４１ａ、２段の熱交換器４２及びこれらと第１冷却ステージ１４を接続する第１配管４３で構成されている。
さらに、ガス循環伝熱回路４０には、流量調整弁４４、バッファタンク４５ａ、流量計４６が付属している。

ガス循環伝熱回路４０で伝達される熱量Ｑは、次式（１）に示すように、冷却ステージ１４の入口温度Ｔ_Lと出口温度Ｔ_Hの温度差とガス流量ｍで決まる。
Ｑ＝ｍＣ（Ｔ_H−Ｔ_L） …（１）

この伝熱量Ｑが決まっている場合は、ガス流量ｍが少ないと、冷却ステージ１４の入口出口温度差（Ｔ_H−Ｔ_L）が大きくなり、出口温度Ｔ_Hが高くなることで、第１超電導コイル１１の温度が高くなる。
一方で、ガス流量ｍが多すぎると、熱交換器４２の損失によりＧＭ冷凍機３２ａに入る熱量が増えるため、このＧＭ冷凍機３２ａの温度が高くなり、結果的に第１超電導コイル１１の温度が高くなる。
したがって、第１超電導コイル１１の冷却性能を維持するために、ガス循環伝熱回路４０は、常に最適流量となるように制御される。

この最適流量は、コイル温度により変化するものである。
このために、第１超電導コイル１１を室温から極低温まで予冷する場合など、コイル温度が大きく変化する場合、ガス流量ｍは、コイル温度に合わせて制御される。
コイル温度を温度計（図示略）で測定し、この測定温度に応じて流量調整弁４４が調節される。

なお、各実施形態では、磁場空間１３に高強度の磁場を発生させることを前提にしている。ＧＭ冷凍機３２ａは、磁場の影響を受けて運転に支障が生じる恐れがあるため、超電導コイル１１，１２から十分に距離を離すことが望まれる。
そのためガス循環伝熱回路４０のうち低温に保持されている配管４３の長さが長くなり、低温を示す配管内容積も大きくなる。
ここで、ガス温度が低くなると、配管内のガス圧力が低下し、極端な場合にはガス循環圧縮機４１ａの安全装置が作動してしまう。
そこで、室温雰囲気に十分な容量のバッファタンク４５ａを設けることで、配管４３内のガス圧力の過度の低下を抑制することができる。

なお、各実施形態において第１冷却部１０は、ＧＭ冷凍機３２ａとガス循環伝熱回路４０を組み合わせた構成を例示しているが、超電導コイル１１，１２とＧＭ冷凍機３２ａの距離を短くすることができる場合は、ガス循環伝熱回路４０に代えて金属伝熱板（図示略）を組み合わせて第１冷却部１０を構成することもできる。
また、ＧＭ冷凍機３２ａに代えてパルスチューブ冷凍機やスターリング冷凍機といった蓄冷式冷凍機を採用することも検討される。

第２冷却部２０は、ＧＭ冷凍機３２ｂとジュール・トムソン冷凍機２１とを組み合わせたＧＭ／ＪＴ冷凍機が採用される。
この第２冷却部２０は、第１冷却部１０から独立して制御されるとともに、ＧＭ／ＪＴ冷凍機で冷却された低温の冷媒は、第２冷却ステージ１５に送られて熱交換した後に、再び第２冷却部２０に送られる。

ＧＭ／ＪＴ冷凍機は、ＧＭ冷凍機３２ｂを予冷に用い、ＪＴ冷凍機２１側は排気圧力を大気圧の０．１ＭＰａ程度にまで下げることにより、冷媒であるヘリウムを液化させる。
一般にＧＭ／ＪＴ冷凍機は、４Ｋレベルの冷却における冷凍効率はＧＭ冷凍機より優れるが、それよりも高温領域の冷凍効率はＧＭ冷凍機よりも劣る。
なお、第２冷却部２０のＧＭ／ＪＴ冷凍機において、ＧＭ冷凍機３２ｂに代えてパルスチューブ冷凍機やスターリング冷凍機といった蓄冷式冷凍機を採用することも検討される。

ＧＭ冷凍機３２ｂは、磁場の影響を受けて運転に支障が生じる恐れがあるため、超電導コイル１１，１２から十分に距離を離すことが望まれる。
そのため第２冷却部２０の回路のうち低温に保持されている第２配管２２の長さが長くなり、低温を示す配管内容積も大きくなる。
ここで、ガス温度が低くなると、配管内のガス圧力が低下し、極端な場合にはガス循環圧縮機４１ｂの安全装置が作動してしまう。
そこで、室温雰囲気に十分な容量のバッファタンク４５ｂを設けることで、配管２２内の圧力の過度の低下を抑制することができる。

以上のように構成された第１実施形態では、励磁時に高温超電導コイル１１から大きな発熱(例えば１０Ｗ程度)があった場合は、ＧＭ冷凍機３２ａの温度が上昇し、コイル温度も上昇する。
ここでＧＭ冷凍機３２ａは冷却温度が上昇すると冷凍能力が急激に増加するため、４Ｋで１Ｗの冷凍機に１０Ｗの熱負荷を加えても１０Ｋ程度でバランスする。
この高温超電導コイルは１０Ｋ程度でも十分に超電導性を維持させることができるために、高磁場発生装置の機能は損なわれない。
一方、ＧＭ／ＪＴ冷凍機は、熱負荷が４Ｋの冷凍能力を超えるとバランスを崩して急激に温度上昇するため、４Ｋで１０Ｗの冷凍能力を得るには冷凍機が３台必要となる。

これに対し、ＧＭ／ＪＴ冷凍機で冷却される低温超電導コイルは、励磁時又は消磁時における磁場変化に伴う磁気ヒステリシス損失による発熱が少ない。
さらにこのＧＭ／ＪＴ冷凍機は、高温超電導コイルから独立しており、高温超電導コイルの温度上昇による熱侵入量は十分に小さく、冷凍能力を超える熱負荷にさらされる危険性も少ない。
このように、実施形態の構成によれば、励消磁時に高温超電導コイルで大きな発熱があっても、冷凍機台数を大幅に増やすことなく、所定温度以下に冷却を維持することができる。

（第２実施形態）
次に図２に基づいて本発明における第２実施形態について説明する。なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。なお、図２において、第２冷却部２０の記載が省略されている。
第２実施形態において高温超電導コイル（第１超電導コイル１１）は、両端に冷却ステージ１４ａ，１４ｂを備え冷却される。

これら冷却ステージ１４ａ，１４ｂは、熱交換が可能となるようにガス循環伝熱回路４０から延びる配管４３ａ，４３ｂを貫通させている。
そして、これら配管４３ａ，４３ｂは、冷却ステージ１４ａ，１４ｂを通過する冷媒が直前にＧＭ冷凍機３２ａを経由するように、冷却対象となる超電導コイル１１との間で複数回往復するように施設される。

第２実施形態のように、コイルの両端に冷却ステージ１４ａ，１４ｂが設けられることで、各ステージの伝熱量は二等分され、各ステージの入口−出口温度差は、第１実施形態の場合の１/２になる。
高温超電導コイルの磁気ヒステリシス損失は、コイルの両端部分に集中することが知られている。第２実施形態では、最も発熱する所が集中的に冷却されるため温度分布も小さくでき、効率的な冷却が実現される。

また、第２実施形態では、一つの冷却ステージ１４ａ（１４ｂ）に対して、配管４３ａ（４３ｂ）が一往復しかしていないが、複数回往復するように配管を施設することも考えられる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の超電導磁石装置によれば、真空容器に配置された複数の超電導コイルを、独立に制御される少なくとも二つの冷却部で冷却することにより、大きな発熱に対して高効率に冷却することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…第１冷却部、１１…高温超電導コイル（第１超電導コイル）、１２…低温超電導コイル（第２超電導コイル）、１３…磁場空間、１４…第１冷却ステージ、１４ａ，１４ｂ…冷却ステージ、１５…第２冷却ステージ、２０…第２冷却部、２１…ＪＴ冷凍機、２２…第２配管、３０…超電導磁石装置、３１…真空容器、３２ａ，３２ｂ…ＧＭ冷凍機、４０…ガス循環伝熱回路、４１ａ，４１ｂ…ガス循環圧縮機、４２…熱交換器、４３…第１配管、４３ａ，４３ｂ…配管、４４…流量調整弁、４５ａ，４５ｂ…バッファタンク、４６…流量計。

Claims

真空容器中に配置される、高温超電導コイルからなる第１超電導コイル及びこの高温超
電導コイルと同軸に配置され高温超電導コイルよりも超電導が発現する臨界温度が低い低
温超電導コイルからなる第２超電導コイルと、
前記第１超電導コイルの両端にガス循環伝熱回路から延びる配管から送られる低温のガ
スによって熱交換する冷却ステージを備え、この第１超電導コイルの両端から冷却する、
蓄冷式冷凍機と前記ガス循環伝熱回路とを組み合わせた冷却方式である第１冷却部と、
前記第１冷却部から独立して制御され、蓄冷式冷凍機とジュール・トムソン冷凍機とを
組み合わせた冷却方式であるとともに前記第２超電導コイルを冷却する第２冷却部と、を
備えることを特徴とする超電導磁石装置。
前記第１超電導コイル又は前記第２超電導コイルの温度測定を行う測定部をさらに備え
、
前記温度測定値に基づいて前記ガス循環伝熱回路のガス流量を制御することを特徴とす
る請求項１に記載の超電導磁石装置。
前記ガス循環伝熱回路は、バッファタンクを有す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。
前記ガス循環伝熱回路から延びる配管を、前記蓄冷式冷凍機と冷却対象となる超電導コ
イルとの間で複数回往復させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に
記載の超電導磁石装置。
前記ジュール・トムソン冷凍機の回路にバッファタンクを設けることを特徴とする請求
項１に記載の超電導磁石装置。
前記蓄冷式冷凍機は、ギフォード・マクマホン冷凍機であることを特徴とする請求項１
から請求項４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。