JP6945771B1

JP6945771B1 - 超電導マグネット

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Publication number: JP6945771B1
Application number: JP2021526266A
Authority: JP
Inventors: 英明三浦; 彰一横山; 航大野村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2040-03-12
Also published as: JPWO2021181615A1; WO2021181615A1

Abstract

冷却管(１５０)は、冷却媒体が通流可能である。冷却管(１５０)は、真空容器(１２０)の外側から超電導コイル(１１０)に向かって延びている。冷却管(１５０)は、真空容器(１２０)の内部に一部が位置している。熱スイッチ部(１６０)は、少なくとも超電導コイル(１１０)と輻射シールド(１３０)との間の領域に位置している。熱スイッチ部(１６０)は、超電導コイル(１１０)に接続されている。熱スイッチ部(１６０)は、第２の状態においては、第１の状態と比較して、超電導コイル(１１０)と冷却管(１５０)との間の熱伝導率が低くなるように変更可能に構成されている。

Description

本開示は、超電導マグネットに関する。

超電導マグネットの構成を開示した先行文献として、特許第２６０５９３７号(特許文献１)がある。特許文献１に記載の超電導マグネットは、超電導コイルと、熱伝導体と、熱シールドと、真空容器と、冷凍機とを備えている。超電導コイルは、極低温下で超電導状態になる。熱伝導体は、熱の良導体からなり超電導コイルを包囲する。熱シールドは、熱伝導体を包囲して外部からの輻射熱を遮蔽する。真空容器は、超電導コイルを包囲した熱伝導体および熱シールドを収容している。真空容器の内部は真空に保持されている。冷凍機は、真空容器内に突出して取り付けられている。冷凍機は、中間冷却部および極低温冷却部を有している。熱シールドは、冷凍機の中間冷却部と熱接続されている。熱伝導体は冷凍機の極低温冷却部と熱接続されている。熱伝導体には、冷却媒体を適宜流通可能とした冷却管が取付けられている。注液口から注入された液体冷媒は冷却管を流れてサービスポートに流入し、排出口から排出される。

超伝導装置の冷却は定常状態であれば、１台の冷凍機で十分な冷却能力があるが、超電導コイルの運転開始するとき、初期冷却、初期励磁のときは１台の冷却系統では能力が不足する。このため、熱伝導体に取り付けられた冷却管に冷却媒体を流通させて早く冷却することができる。

特許第２６０５９３７号

特許文献１に記載の超電導マグネットが定常運転状態のとき、真空容器の外部から冷却管を介して超電導コイルに熱が侵入する。定常運転状態のときに超電導コイルに熱が侵入すると、冷凍機による冷却効率が低下したり、超電導コイルの温度が上昇する場合がある。

本開示は上記の目的に鑑みてなされたものであり、定常状態において冷却管を介して超電導コイルに侵入する熱の熱量を低減する超電導マグネットを提供することを目的とする。

本開示に基づく超電導マグネットは、超電導コイルと、真空容器と、輻射シールドと、冷凍機と、冷却管と、熱スイッチ部とを備えている。真空容器は、超電導コイルを収容している。輻射シールドは、超電導コイルと真空容器との間に配置されている。輻射シールドは、超電導コイルの周りを囲んでいる。冷凍機は、真空容器の外側から超電導コイルに接続されている。冷凍機は、第１ステージおよび第２ステージを含んでいる。第１ステージは、輻射シールドと接続されている。第２ステージは、超電導コイルと接続されている。冷却管は、冷却媒体が通流可能である。冷却管は、真空容器の外側から超電導コイルに向かって延びている。冷却管は、真空容器の内部に一部が位置している。熱スイッチ部は、少なくとも超電導コイルと輻射シールドとの間の領域に位置している。熱スイッチ部は、超電導コイルに接続されている。熱スイッチ部は、第１の状態と第２の状態とをとり得る。熱スイッチ部は、第２の状態においては、第１の状態と比較して、超電導コイルと冷却管との間の熱伝導率が低くなるように変更可能に構成されている。

本開示によれば、超電導コイルを常温から冷却するときには、熱スイッチ部を第１の状態とすることで、冷凍機と冷却管とによって超電導コイルを冷却して冷却効率を向上させて、冷却時間を短縮することができるとともに、超電導マグネットが定常運転状態のときは、熱スイッチ部を第２の状態とすることで、冷却管を介して超電導コイルに侵入する熱の熱量を低減できる。

実施の形態１に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。実施の形態１に係る超電導マグネットにおける冷却管を示す斜視図である。実施の形態２に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。実施の形態２に係る超電導マグネットにおける熱スイッチ部を示す断面図である。実施の形態３に係る超電導マグネットにおける熱スイッチ部を示す断面図である。実施の形態３における炭素繊維強化プラスチックの、第１方向および第２方向の各々の熱伝導率を、炭素繊維強化プラスチックの各温度毎に測定した実験結果の一例を示すグラフである。実施の形態４に係る超電導マグネットにおける冷却管および熱スイッチ部を示す斜視図である。実施の形態５に係る超電導マグネットにおける冷却管および熱スイッチ部を示す斜視図である。

以下、各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、その説明は繰り返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１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に示すように、実施の形態１に係る超電導マグネット１００は、超電導コイル１１０と、真空容器１２０と、輻射シールド１３０と、冷凍機１４０と、冷却管１５０と、熱スイッチ部１６０とを備えている。

超電導コイル１１０は、超電導線が巻き回されて形成されている。超電導マグネットの定常運転状態において、超電導コイル１１０は、超電導状態である。超電導線は、主材料として、銅を含んでいる。なお、銅は、温度が低くなるに従って比熱が小さくなる。たとえば、温度が５０Ｋの銅は、室温の銅と比較して比熱が約４分の１となる。温度が２０Ｋの銅は、室温の銅と比較して比熱が約５０分の１となる。

本実施の形態において、超電導コイル１１０は、超電導線を包囲するように設けられた図示しない熱伝導部材を有している。すなわち、超電導コイル１１０の外側から超電導コイル１１０に接続される部材は、具体的には、超電導コイル１１０が有する熱伝導部材に接続される。熱伝導部材の熱伝導率は比較的大きいことが好ましい。熱伝導部材は、たとえば銅またはアルミニウムで構成されている。

真空容器１２０は、超電導コイル１１０を収容している。真空容器１２０の内部は真空状態に維持されている。

輻射シールド１３０は、超電導コイル１１０と真空容器１２０との間に配置されている。輻射シールド１３０は、超電導コイル１１０の周りを囲んでいる。輻射シールド１３０は、図示しない支持部材を介して真空容器１２０に支持されている。当該支持部材は、熱伝導率が比較的小さい部材で構成されていることが好ましく、たとえば、ガラスファイバ強化プラスチック(ＧＦＲＰ：Grass Fiber Reinforced Plastics)またはセラミックスなどで構成されていることが好ましい。

冷凍機１４０は、真空容器１２０の外側から超電導コイル１１０に接続されている。冷凍機１４０は、第１ステージ１４１および第２ステージ１４２を含んでいる。冷凍機１４０の定常運転状態において、第２ステージ１４２の温度は、第１ステージ１４１の温度より低くなるように構成されている。冷凍機１４０の定常運転状態において、第１ステージ１４１の温度は、たとえば約５０Ｋであり、第２ステージ１４２の温度は、たとえば約１０Ｋ以下である。

第１ステージ１４１は、輻射シールド１３０と接続されている。これにより、本実施の形態において、第１ステージ１４１は、輻射シールド１３０の温度が約５０Ｋとなるように輻射シールド１３０を冷却することができる。第２ステージ１４２は、超電導コイル１１０と接続されている。これにより、本実施の形態において、第２ステージ１４２は、超電導コイル１１０の温度が約２０Ｋ以下となるように、超電導コイル１１０を冷却することができる。

冷凍機１４０は、具体的には、たとえばギフォード・マクマホン式冷凍機、または、パルスチューブ冷凍機である。

図２は、実施の形態１に係る超電導マグネットにおける冷却管を示す斜視図である。図１および図２に示すように、冷却管１５０は、真空容器１２０の外側から超電導コイル１１０に向かって延びている。冷却管１５０は、真空容器１２０の内部に一部が位置している。冷却管１５０の内部に位置する部分は、蛇行した形状である。冷却管１５０の一方端および他方端の各々は、真空容器１２０の外側に位置している。

冷却管１５０は、冷却媒体が通流可能である。冷却媒体としては、液体窒素、液体ヘリウム、または、液体水素などが挙げられる。冷却管１５０のうち冷却媒体が流通する部分は、継ぎ目のない一体の管状壁で構成されていることが好ましい。

本実施の形態において、冷却管１５０は、第１バルブ１５１と、第２バルブ１５２と、逆止弁１５３とを有している。

第１バルブ１５１は、真空容器１２０の外側において、冷却管１５０の一方端側に設けられている。第２バルブ１５２は、真空容器１２０の外側において、冷却管１５０の他方端側に設けられている。冷却管１５０は、第１バルブ１５１および第２バルブ１５２の両方を閉状態とすることで、冷却管１５０内に冷却媒体を閉じ込めることができるように構成されている。

逆止弁１５３は、冷却管１５０の一方端側または他方端側に設けられている。本実施の形態においては、逆止弁１５３は冷却管１５０の一方端側に設けられている。逆止弁１５３は、外部から冷却管１５０の内部側に気体を流入させず、かつ、冷却管１５０内部の圧力が高くなりすぎたときには冷却管１５０の内部から外部に気体を流出させることができるように構成されている。なお、本実施の形態において、逆止弁１５３は、冷却管１５０に必ずしも設けられていなくてもよい。

第１バルブ１５１および第２バルブ１５２の各々には、コントローラ１５４が接続されている。コントローラ１５４は、冷却管１５０に直接接触する輻射シールド１３０または熱スイッチ部１６０の温度の値が閾値より低くなったときに、第１バルブ１５１および第２バルブ１５２の各々を閉状態にすることができるように構成されている。本実施の形態において、上記閾値は、具体的には、冷却管１５０に通流する冷却媒体の沸点とすればよい。

実施の形態１に係る超電導マグネット１００は、定常運転状態において、冷却管１５０の内部の圧力が１気圧以上に維持可能に構成されている。具体的には、冷却管１５０の圧力は、第１バルブ１５１および第２バルブ１５２の開閉操作により、または逆止弁１５３を設けることにより、定常運転状態において、冷却管１５０の内部の圧力が１気圧以上に維持される。

図１に示すように、熱スイッチ部１６０は、少なくとも超電導コイル１１０と輻射シールド１３０との間の領域に位置している。熱スイッチ部１６０は、超電導コイル１１０に接続されている。

実施の形態１において、熱スイッチ部１６０は、超電導コイル１１０側とは反対側において、輻射シールド１３０を介して冷却管１５０と接している。なお、熱スイッチ部１６０は、超電導コイル１１０側とは反対側において、直接、冷却管１５０と接していてもよい。すなわち、熱スイッチ部１６０は、冷却管１５０と超電導コイル１１０との間において熱が伝搬可能に配置されている。

熱スイッチ部１６０は、第１の状態と第２の状態とをとり得る。熱スイッチ部１６０は、第２の状態においては、第１の状態と比較して、超電導コイル１１０と冷却管１５０との間の熱伝導率が低くなるように変更可能に構成されている。

熱スイッチ部１６０としては、具体的には、機械式の熱スイッチ、または、固体式の熱スイッチが挙げられる。熱スイッチ部１６０が機械式の熱スイッチの場合、熱スイッチ部１６０は、少なくとも２つの伝熱部材を有している。熱スイッチ部１６０は、第１の状態においては熱スイッチ部１６０の内部に位置する２つの伝熱部材が互いに接触しているが、第２の状態においては、上記２つの伝熱部材が互いに離間する。このようにして熱スイッチ部１６０は熱伝導率が変更可能となっている。熱スイッチ部１６０が機械式の熱スイッチである場合は、熱スイッチ部１６０は、たとえば外部からの入力信号によって第１の状態と第２の状態とが切り替え可能に構成される。

熱スイッチ部１６０が固体式の熱スイッチである場合、熱スイッチ部１６０は、少なくとも、温度によって熱伝導率が変化する伝熱部材を有している。当該伝熱部材は、たとえば炭素繊維強化プラスチックである。本実施の形態においては、熱スイッチ部１６０における当該伝熱部材が第１の範囲内の温度のとき、熱スイッチ部１６０が第１の状態となる。第１の範囲内の温度には、室温が含まれる。熱スイッチ部１６０における当該伝熱部材が第１の範囲より低い温度域で構成される第２の範囲内の温度のとき、熱スイッチ部１６０が第２の状態となる。

このように、熱スイッチ部１６０は、第１の状態と比較して、第２の状態の熱伝導率が低くなるように変更可能に構成されているため、超電導コイル１１０と冷却管１５０との間の熱伝導率が変更可能となっている。

以下、本実施の形態において、室温と同一の温度を有する超電導コイル１１０を冷却して超電導状態にすることで、超電導マグネット１００を定常運転状態にする方法の一例について説明する。

まず、熱スイッチ部１６０が機械式の熱スイッチである場合には、超電導マグネット１００が室温と同一の温度を有する状態において、熱スイッチ部１６０を第１の状態とする。あるいは、熱スイッチ部１６０が固体式の熱スイッチである場合には、超電導マグネット１００が室温と同一の温度を有する状態において熱スイッチ部１６０が第１の状態となるように、熱スイッチ部１６０に上記伝熱部材が含まれるように予め熱スイッチ部１６０を構成しておく。

次に、冷却管１５０の第１バルブ１５１および第２バルブ１５２を開状態にして、冷却管１５０内に冷却媒体を通流させる。そして、冷却管１５０に冷却媒体を注入して通流させるとともに、冷凍機１４０を運転させる。このようにして、冷凍機１４０と、熱スイッチ部１６０を介した冷却管１５０とによって、超電導コイル１１０の熱を吸熱する。

そして、冷却管１５０に直接接触する輻射シールド１３０または熱スイッチ部１６０の温度の値が、上記冷却媒体の沸点より低くなった時点で、冷却管１５０への冷却媒体の投入を停止するとともに、第１バルブ１５１および第２バルブ１５２を手動またはコントローラ１５４により閉状態にする。また、熱スイッチ部１６０が機械式の熱スイッチである場合には、上記時点または上記時点よりも前に、熱スイッチ部１６０を第２の状態にする、あるいは、熱スイッチ部１６０が固体式の熱スイッチである場合には、上記時点または上記時点よりも前に、熱スイッチ部１６０が第２の状態となるように、熱スイッチ部１６０に上記伝熱部材が含まれるように予め熱スイッチ部１６０を構成しておく。さらに、冷凍機１４０については、超電導コイル１１０が超電導状態となるまで、運転を継続させる。このようにして、上記時点以後においては、冷却管１５０を介して超電導コイル１１０に熱が侵入することを抑制しつつ、超電導コイル１１０の熱を冷凍機１４０により吸熱する。上記の方法により、超電導マグネット１００を定常運転状態にすることができる。

なお、上記時点以後および超電導マグネット１００が定常運転状態である場合においては、冷却管１５０の内部の圧力は１気圧以上に維持する。冷却管１５０の内部の圧力は、逆止弁１５３によって制御してもよいし、第１バルブ１５１および第２バルブ１５２の少なくとも一方の開度を手動またはコントローラ１５４により制御してもよい。

上記のように、実施の形態１に係る超電導マグネット１００は、超電導コイル１１０と、真空容器１２０と、輻射シールド１３０と、冷凍機１４０と、冷却管１５０と、熱スイッチ部１６０とを備えている。真空容器１２０は、超電導コイル１１０を収容している。輻射シールド１３０は、超電導コイル１１０と真空容器１２０との間に配置されている。輻射シールド１３０は、超電導コイル１１０の周りを囲んでいる。冷凍機１４０は、真空容器１２０の外側から超電導コイル１１０に接続されている。冷凍機１４０は、第１ステージ１４１および第２ステージ１４２を含んでいる。第１ステージ１４１は、輻射シールド１３０と接続されている。第２ステージ１４２は、超電導コイル１１０と接続されている。冷却管１５０は、冷却媒体が通流可能である。冷却管１５０は、真空容器１２０の外側から超電導コイル１１０に向かって延びている。冷却管１５０は、真空容器１２０の内部に一部が位置している。熱スイッチ部１６０は、少なくとも超電導コイル１１０と輻射シールド１３０との間の領域に位置している。熱スイッチ部１６０は、超電導コイル１１０に接続されている。熱スイッチ部１６０は、第１の状態と第２の状態とをとり得る。熱スイッチ部１６０は、第２の状態においては、第１の状態と比較して、超電導コイル１１０と冷却管１５０との間の熱伝導率が低くなるように変更可能に構成されている。

これにより、超電導コイル１１０を常温から冷却するときには、熱スイッチ部１６０を第１の状態とすることで、冷凍機１４０と冷却管１５０とによって超電導コイル１１０を冷却して冷却効率を向上させて、冷却時間を短縮することができるとともに、超電導コイル１１０が定常運転状態であるときには、熱スイッチ部１６０を第２の状態とすることで、冷却管１５０を介して超電導コイル１１０に侵入する熱の熱量を低減できる。

なお、実施の形態１に係る超電導マグネット１００は、定常状態から室温と同一の温度を有する状態にまで昇温するときにおいては、熱スイッチ部１６０を第１の状態とすることで昇温時間を短縮することもできる。

実施の形態１において、熱スイッチ部１６０は、超電導コイル１１０側とは反対側において、輻射シールド１３０を介して冷却管１５０と接している。

これにより、冷却管１５０が超電導コイル１１０に直接接続されている場合、すなわち、輻射シールド１３０を貫通している場合と比較して、輻射シールド１３０の外側から内側へ侵入する熱の熱量を低減できる。

実施の形態１に係る超電導マグネット１００は、定常運転状態において、冷却管１５０の内部の圧力が１気圧以上に維持可能に構成されている。

これにより、空気が冷却管１５０の内部に吸い込まれて空気中の水分が冷却管１５０の内部で氷結することを抑制できる。ひいては、超電導コイル１１０の昇温時において、氷結した水分によって冷却管１５０の内部に位置する冷媒が急激に蒸発することを抑制できる。

実施の形態１において、冷却管１５０は、第１バルブ１５１と、第２バルブ１５２と、逆止弁１５３とを有している。第１バルブ１５１は、真空容器１２０の外側において、冷却管１５０の一方端側に設けられている。第２バルブ１５２は、真空容器１２０の外側において、冷却管１５０の他方端側に設けられている。逆止弁１５３は、冷却管１５０の一方端側または他方端側に設けられている。

これにより、第１バルブ１５１および第２バルブ１５２を閉状態にすることで、定常状態において、冷却管１５０内に冷媒が位置する状態を維持できる。結果として、定常状態において冷却管１５０を介して超電導コイル１１０に侵入する熱の熱量をより低減できる。

実施の形態１において、第１バルブ１５１および第２バルブ１５２の各々には、コントローラ１５４が接続されている。コントローラ１５４は、冷却管１５０に直接接触する輻射シールド１３０または熱スイッチ部１６０の温度の値が閾値より低くなったときに、第１バルブ１５１および第２バルブ１５２の各々を閉状態にすることができるように構成されている。

これにより、超電導コイル１１０を室温から冷却する過程において、ある程度超電導コイル１１０が冷却された際には、自動的に第１バルブ１５１および第２バルブ１５２の各々を閉状態にすることで、冷却管１５０を介して超電導コイル１１０に侵入する熱の熱量をより低減できる。

実施の形態２．
以下、実施の形態２に係る超電導マグネットについて説明する。実施の形態２に係る超電導マグネットは、熱スイッチ部の構成のみが、実施の形態１に係る超電導マグネット１００とは異なる。よって、実施の形態１に係る超電導マグネット１００と同様である構成については説明を繰り返さない。

図３は、実施の形態２に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図４は、実施の形態２に係る超電導マグネットにおける熱スイッチ部を示す断面図である。実施の形態２に係る超電導マグネット２００おいて、熱スイッチ部２６０は、固体式の熱スイッチである。具体的には、本実施の形態において、熱スイッチ部２６０は、炭素繊維強化プラスチック２６１を含んでいる。これにより、温度が低くなるほど熱伝導率が低くなる炭素繊維強化プラスチック２６１によって、熱スイッチ部２６０の第１の状態と第２の状態とを自動的に切り替えることができる。

本実施の形態において、炭素繊維強化プラスチック２６１は、たとえば、炭素繊維強化プラスチック２６１の温度が５０Ｋ以下である場合は、炭素繊維強化プラスチック２６１の温度が５０Ｋより高く室温以下である場合と比較して、熱伝導率が顕著に低くなる。５０Ｋの炭素繊維強化プラスチック２６１の熱伝導率は、室温の炭素繊維強化プラスチック２６１の熱伝導率のおよそ１０分の１である。すなわち、本実施の形態において、熱スイッチ部２６０の温度の第１の範囲は、たとえば５０Ｋより高く室温以下であり、第２の範囲は５０Ｋ未満と見ることができる。

本実施の形態においては、熱スイッチ部２６０が上述のような特性を有する炭素繊維強化プラスチック２６１を含んでいるため、特に、超電導コイル１１０に主材料として含まれる銅の比熱が比較的大きくなる室温から５０Ｋまでの温度領域において、冷凍機１４０と冷却管１５０とによる超電導コイル１１０の冷却の冷却効率を向上させることができる。ひいては、上記温度域における超電導コイル１１０の冷却時間をより短縮できる。

実施の形態２において、熱スイッチ部２６０は、第１伝熱部２６２と、第２伝熱部２６３とをさらに含んでいる。第１伝熱部２６２は、炭素繊維強化プラスチック２６１の超電導コイル１１０側に位置している。第２伝熱部２６３は、炭素繊維強化プラスチック２６１の超電導コイル１１０側とは反対側に位置している。これにより、超電導コイル１１０の昇温時においては、冷却管１５０から熱スイッチ部２６０を通って超電導コイル１１０に達する熱経路において、熱伝導率を向上させて、冷却管１５０による冷却効率を向上させることができる。

第１伝熱部２６２および第２伝熱部２６３の各々は、熱伝導率が比較的大きい材料で構成されており、たとえば、銅またはアルミニウムなどで構成されている。また、第１伝熱部２６２および第２伝熱部２６３は加工性の良い材料で構成されていることが好ましい。

なお、本実施の形態において、炭素繊維強化プラスチック２６１は、複数の炭素繊維２６５を有している。複数の炭素繊維２６５のうちの少なくとも一部は、互いに平行に延在しているが、当該延在方向は特に限定されない。

実施の形態３．
以下、実施の形態３に係る超電導マグネットについて説明する。実施の形態３に係る超電導マグネットは、炭素繊維強化プラスチックにおける複数の炭素繊維の構成が、実施の形態２に係る超電導マグネット２００と異なる。よって、実施の形態２に係る超電導マグネット２００と同様である構成については説明を繰り返さない。

図５は、実施の形態３に係る超電導マグネットにおける熱スイッチ部を示す断面図である。図５に示すように、実施の形態３において、炭素繊維強化プラスチック３６１は、複数の第１炭素繊維３６５Ａと、複数の第２炭素繊維３６５Ｂとを有している。複数の第１炭素繊維３６５Ａは、互いに平行に延在している。複数の第２炭素繊維３６５Ｂの各々は、複数の第１炭素繊維３６５Ａの延在方向に対して直交方向から見て、複数の第１炭素繊維３６５Ａの延在方向に対して直交方向に延在している。複数の第１炭素繊維３６５Ａおよび複数の第２炭素繊維３６５Ｂの各々の延在方向は、熱スイッチ部３６０における超電導コイル１１０側から反対側に向かう方向と交差している。これにより、超電導コイル１１０の昇温時においては、冷却管１５０から熱スイッチ部３６０を通って超電導コイル１１０に達する熱経路において、熱伝導率をさらに向上させて、冷却管１５０による冷却効率を向上させることができる。

また、より具体的には、上記直交方向から見て、複数の第１炭素繊維３６５Ａおよび複数の第２炭素繊維３６５Ｂの各々の延在方向と、熱スイッチ部３６０における超電導コイル１１０側から反対側に向かう方向とのなす角が、およそ４５度となっている。

図６は、実施の形態３における炭素繊維強化プラスチックの、第１方向および第２方向の各々の熱伝導率を、炭素繊維強化プラスチックの各温度毎に測定した実験結果の一例を示すグラフである。図６においては、本実施の形態における炭素繊維強化プラスチックについて、上記直交方向から見て、複数の第１炭素繊維３６５Ａおよび複数の第２炭素繊維３６５Ｂの各々の延在方向に対してなす角が４５度となる方向である第１方向における熱伝導率を第１熱伝導率とし、プロット点Ａで示した。また。図６においては、上記直交方向から見て、複数の第１炭素繊維３６５Ａおよび複数の第２炭素繊維３６５Ｂの各々の延在方向に対してなす角が０度または９０度となる方向である第２方向における熱伝導率を第２熱伝導率とし、プロット点Ｂで示した。

図６に示すように、炭素繊維強化プラスチックの温度が２０Ｋの場合と比較して、炭素繊維強化プラスチックの温度が室温の場合の第２熱伝導率は８０倍となるのに対して、第１熱伝導率は１３０倍となっている。このように、上記直交方向から見て、本実施の形態における炭素繊維強化プラスチック３６１は、室温近傍の温度領域において、複数の第１炭素繊維３６５Ａおよび複数の第２炭素繊維３６５Ｂの各々の延在方向とのなす角が０度または９０度である第２方向の熱伝導率より、複数の第１炭素繊維３６５Ａおよび複数の第２炭素繊維３６５Ｂの各々の延在方向と交差する方向の熱伝導率が高くなることがわかる。

実施の形態４．
以下、実施の形態４に係る超電導マグネットについて説明する。実施の形態４に係る超電導マグネットは、熱スイッチ部の構成が主に、実施の形態１に係る超電導マグネット１００と異なる。よって、実施の形態１に係る超電導マグネット１００と同様である構成については、説明を繰り返さない。

図７は、実施の形態４に係る超電導マグネットにおける冷却管および熱スイッチ部を示す斜視図である。図７に示すように、実施の形態４において、熱スイッチ部４６０は、超電導コイル１１０側とは反対側において、直接、冷却管１５０と接している。これにより、冷却管１５０が輻射シールド１３０を介して超電導コイル１１０と接続されているのと比較して、冷却管１５０による超電導コイル１１０の冷却効率を向上させることができる。

実施の形態４において、熱スイッチ部４６０は、１または複数の炭素繊維である。これにより、熱伝導率が高い、かつ、熱スイッチとして機能する炭素繊維を直接、冷却管１５０に接続することで、冷却管１５０による超電導コイル１１０の冷却効率をさらに向上させることができる。また、熱スイッチ部４６０を簡易な構成で設けることとができる。

なお、本実施の形態において、炭素繊維は、約５０Ｋ以上から室温以下の温度領域において、約５０Ｋ未満の温度領域と比較して熱伝導率は顕著に高くなる。このため、本実施の形態においても、超電導コイル１１０に主材料として含まれる銅の比熱が比較的大きくなる室温から５０Ｋまでの温度領域において、冷凍機１４０と冷却管１５０とによる超電導コイル１１０の冷却の冷却効率を向上させることができる。ひいては、上記温度域における超電導コイル１１０の冷却時間をより短縮できる。

実施の形態４において、熱スイッチ部４６０は、冷却管１５０に巻き付けられた状態で冷却管１５０と接している。これにより、熱スイッチ部４６０と冷却管１５０との接触面積が大きくなり、冷却管１５０による超電導コイル１１０の冷却効率を大幅に向上させることができる。

実施の形態４において、熱スイッチ部４６０として冷却管１５０に巻き付けられた複数の炭素繊維の各々の巻回数は、１回でもよいし、複数回でもよい。炭素繊維の少なくとも一方端は、たとえば、超電導線を包囲するように設けられた図示しない熱伝導部材または当該熱伝導部材上に設けられた図示しない他の熱伝導部材を介して、超電導コイル１１０に接続される。

実施の形態５．
以下、実施の形態５に係る超電導マグネットについて説明する。実施の形態５に係る超電導マグネットは、熱スイッチ部の構成が主に、実施の形態４に係る超電導マグネットと異なる。よって、実施の形態４に係る超電導マグネットと同様である構成については、説明を繰り返さない。

図８は、実施の形態５に係る超電導マグネットにおける冷却管および熱スイッチ部を示す斜視図である。図８に示すように、実施の形態５において、熱スイッチ部５６０は、１または複数のシート状の炭素繊維強化プラスチックである。これにより、熱スイッチ部５６０を冷却管１５０に巻き付けることができる。

さらに、複数のシート状の炭素繊維強化プラスチックである熱スイッチ部５６０の各々は冷却管１５０に巻き付けられている。これにより、熱スイッチ部５６０と冷却管１５０との接触面積を大きくすることができ、冷却管１５０による超電導コイル１１０の冷却効率をさらに向上させることができる。

複数のシート状の炭素繊維強化プラスチックの各々は、冷却管１５０に対して、接着材を介して固定されていてもよいし、ボルト締めによる固定されていてもよい。

上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

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、本開示の範囲は、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。

１００，２００超電導マグネット、１１０超電導コイル、１２０真空容器、１３０輻射シールド、１４０冷凍機、１４１第１ステージ、１４２第２ステージ、１５０冷却管、１５１第１バルブ、１５２第２バルブ、１５３逆止弁、１５４コントローラ、１６０，２６０，３６０，４６０，５６０熱スイッチ部、２６１，３６１炭素繊維強化プラスチック、２６２第１伝熱部、２６３第２伝熱部、２６５炭素繊維、３６５Ａ第１炭素繊維、３６５Ｂ第２炭素繊維。

Claims

超電導コイルと、
前記超電導コイルを収容する真空容器と、
前記超電導コイルと前記真空容器との間に配置され、前記超電導コイルの周りを囲む輻射シールドと、
第１ステージおよび第２ステージを含み、前記真空容器の外側から前記超電導コイルに接続された冷凍機と、
冷却媒体が通流可能であって、前記真空容器の外側から前記超電導コイルに向かって延び、かつ、前記真空容器の内部に一部が位置している冷却管と、
少なくとも前記超電導コイルと前記輻射シールドとの間の領域に位置して、前記超電導コイルに接続された、機械式または固体式の熱スイッチ部とを備え、
前記第１ステージは、前記輻射シールドと接続されており、
前記第２ステージは、前記超電導コイルと接続されており、
前記熱スイッチ部は、第１の状態と第２の状態とをとり得り、
前記熱スイッチ部は、前記第２の状態においては、前記第１の状態と比較して、前記超電導コイルと前記冷却管との間の熱伝導率が低くなるように変更可能に構成されている、超電導マグネット。
前記熱スイッチ部は、超電導コイル側とは反対側において、直接、前記冷却管と接している、請求項１に記載の超電導マグネット。
前記熱スイッチ部は、超電導コイル側とは反対側において、前記輻射シールドを介して前記冷却管と接している、請求項１に記載の超電導マグネット。
前記熱スイッチ部は、炭素繊維強化プラスチックを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
前記炭素繊維強化プラスチックは、互いに平行に延在する複数の第１炭素繊維と、該複数の第１炭素繊維の延在方向に対して直交方向から見て、前記複数の第１炭素繊維の延在方向に対して直交方向に延在する複数の第２炭素繊維とを有し、
前記複数の第１炭素繊維および前記複数の第２炭素繊維の各々の延在方向は、前記熱スイッチ部における超電導コイル側から反対側に向かう方向と交差している、請求項４に記載の超電導マグネット。
前記熱スイッチ部は、前記炭素繊維強化プラスチックの超電導コイル側に位置する第１伝熱部と、前記炭素繊維強化プラスチックの超電導コイル側とは反対側に位置する第２伝熱部とをさらに含む、請求項４または請求項５に記載の超電導マグネット。
前記熱スイッチ部は複数の炭素繊維である、請求項１または請求項２に記載の超電導マグネット。
前記熱スイッチ部は、複数のシート状の炭素繊維強化プラスチックである、請求項１または請求項２に記載の超電導マグネット。
前記熱スイッチ部は、前記冷却管に巻き付けられた状態で前記冷却管と接している、請求項７または請求項８に記載の超電導マグネット。
定常運転状態において、前記冷却管の内部の圧力が１気圧以上に維持可能に構成されている、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
前記冷却管は、前記真空容器の外側において、一方端側に設けられた第１バルブと、他方端側に設けられた第２バルブと、前記一方端側または前記他方端側に設けられた逆止弁とを有する、請求項１０に記載の超電導マグネット。
前記第１バルブおよび前記第２バルブの各々には、前記冷却管に直接接触する前記輻射シールドまたは前記熱スイッチ部の温度の値が閾値より低くなったときに、前記第１バルブおよび前記第２バルブの各々を閉状態にすることができるように構成されたコントローラが接続されている、請求項１１に記載の超電導マグネット。