WO2019229923A1 - 超電導マグネット - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a superconducting magnet.
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 7-74019 is a prior document disclosing the configuration of a superconducting magnet equipped with a refrigerator.
- the superconducting magnet described in Patent Document 1 includes a superconducting coil, an inner tank container, a radiation shield, an outer tank container, a refrigerator for refrigerant gas liquefaction, an external connection port, a shield pipe, an open valve, Is provided.
- the superconducting coil is stored in the inner tank container.
- the inner tank container is a refrigerant container filled with a liquid refrigerant.
- the radiation shield is provided so as to surround the inner layer container.
- An outer tank container is a vacuum container which covers the outer periphery of a radiation shield.
- the refrigerator for liquefying the refrigerant gas is incorporated in the outer tank container.
- An injection pipe and a gas recovery pipe are connected to the external connection port.
- the shield pipe is attached along the radiation shield. The release valve releases the refrigerant gas in the shield pipe to the outside.
- the refrigerant in the refrigerant container is vaporized by heat that has entered through the external connection port and the refrigerant gas liquefaction refrigerator.
- the piping that passes when the vaporized refrigerant is discharged to the outside is cooled by the sensible heat of the vaporized refrigerant.
- the heat penetration amount in the heat penetration path from the external connection port and the refrigerant gas liquefaction refrigerator is different from each other. Therefore, if the cooling by the vaporized refrigerant is not performed according to the heat intrusion path in each of the heat intrusion path having a large heat intrusion amount and the heat intrusion path having a small heat intrusion amount, the heat intrusion from the outside into the refrigerant container is effective Cannot be suppressed.
- the present invention has been made in view of the above problems, and provides a superconducting magnet capable of effectively suppressing heat penetration from the outside into the refrigerant container even when power supply is stopped. With the goal.
- a superconducting magnet includes a superconducting coil, a refrigerant container, a radiation shield, a vacuum container, a first pipe, a refrigerator, a partition, a second pipe, a third pipe, and a fourth pipe. And at least one pressure relief valve.
- the refrigerant container accommodates the superconducting coil immersed in a liquid refrigerant.
- the radiation shield surrounds the refrigerant container.
- the vacuum container contains a superconducting coil, a refrigerant container, and a radiation shield.
- the first pipe passes through each of the vacuum vessel and the radiation shield and is connected to the refrigerant vessel, and has an attachment port outside the vacuum vessel.
- the refrigerator is inserted so as to be inserted into the first pipe from the attachment port, is fixed so as to seal the attachment port, and is arranged so as to constitute a first flow path of the vaporized refrigerant between the first pipe and the refrigerator. Yes.
- the partition portion is disposed in a gap between the inner surface of the first pipe and the refrigerator, and constitutes a part of the first flow path while partitioning the inside of the first pipe into the refrigerant container side and the attachment port side.
- the second pipe passes through each of the vacuum container and the radiation shield and is connected to the refrigerant container to constitute a second flow path for the vaporized refrigerant.
- the third pipe is connected to the first pipe outside the vacuum vessel and extends while being in contact with the vacuum vessel.
- the fourth pipe is connected to the second pipe outside the vacuum container, and extends while contacting the vacuum container.
- the pressure release valve is connected to each of the third pipe and the fourth pipe.
- each of the vacuum container and the radiation shield can be effectively cooled to effectively suppress heat penetration from the outside into the refrigerant container.
- a hollow cylindrical superconducting magnet will be described.
- the present invention is not necessarily limited to a hollow cylindrical superconducting magnet, and the present invention can also be applied to an open superconducting magnet.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a superconducting magnet according to an embodiment of the present invention.
- a superconducting magnet 100 according to an embodiment of the present invention includes a superconducting coil 110, a refrigerant container 120, a radiation shield 130, a vacuum container 140, a first pipe 150, and a refrigerator 153.
- the superconducting coil 110 is configured, for example, by winding a superconducting wire formed by embedding a niobium titanium alloy in the center of a matrix made of copper.
- the superconducting coil 110 is wound around a winding frame 111 made of a nonmagnetic material such as stainless steel or aluminum.
- the refrigerant container 120 contains the superconducting coil 110 and the winding frame 111 immersed in the liquid refrigerant 10.
- the refrigerant container 120 has a hollow cylindrical shape that is substantially similar to the outer shape of the superconducting coil 110.
- the refrigerant container 120 is made of a nonmagnetic material such as stainless steel or aluminum.
- the winding frame 111 is supported by a support portion (not shown) and fixed in a state of being spaced from the refrigerant container 120.
- the superconducting coil 110 may be wound around the bottom of the refrigerant container 120. In this case, the winding frame 111 is not provided.
- the liquid refrigerant 10 is liquid helium, but is not particularly limited as long as it is a refrigerant capable of bringing the superconducting coil 110 into a superconducting state.
- the liquid refrigerant 10 may be liquid nitrogen, for example.
- the radiation shield 130 surrounds the refrigerant container 120.
- the radiation shield 130 has a hollow cylindrical shape substantially similar to the refrigerant container 120.
- the radiation shield 130 has a function of insulating between the refrigerant container 120 and a vacuum container 140 described later.
- the radiation shield 130 is made of a nonmagnetic material having a high light reflectivity, such as aluminum.
- the superconducting magnet 100 further includes a multilayer heat insulating material 135 (super insulation) between the radiation shield 130 and a vacuum vessel 140 described later.
- the multilayer heat insulating material 135 is disposed so as to cover the outside of the radiation shield 130.
- the multilayer heat insulating material 135 may be attached to the surface of the radiation shield 130.
- the vacuum container 140 accommodates the superconducting coil 110, the refrigerant container 120, and the radiation shield 130.
- the vacuum vessel 140 has a hollow cylindrical shape substantially similar to the radiation shield 130.
- Each of the refrigerant container 120 and the radiation shield 130 in the vacuum container 140 is fixed to the vacuum container 140 by a plurality of support rods (not shown).
- the support rod is made of, for example, glass epoxy.
- the inside of the vacuum vessel 140 is decompressed so as to be evacuated by a decompression device (not shown).
- the vacuum vessel 140 is made of, for example, a nonmagnetic material such as stainless steel or aluminum in order to insulate the inside and outside of the vacuum vessel 140 from vacuum.
- the first pipe 150 passes through each of the vacuum container 140 and the radiation shield 130 and is connected to the refrigerant container 120.
- the 1st piping 150 is comprised from the nonmagnetic material, for example, is comprised from stainless steel.
- the first pipe 150 has a mounting port 151 outside the vacuum vessel 140.
- the refrigerator 153 is inserted into the first pipe 150 from the attachment port 151 and fixed so as to seal the attachment port 151.
- the refrigerator 153 is sealed by an O-ring (not shown) or the like so that there is no gap between the upper surface of the attachment port 151 of the first pipe 150 and the lower surface of the flange of the refrigerator 153 when inserted in the attachment port 151. It has been stopped.
- the refrigerator 153 has a function of cooling the inside of the refrigerant container 120 and liquefying the vaporized refrigerant 10G.
- the refrigerator 153 is a fixed type refrigerator that is not removed, and as the refrigerator 153, a Gifford-McMahon type refrigerator or a pulse tube refrigerator having two refrigeration stages is used. Can do.
- the refrigerator 153 includes a first freezing stage 154a and a second freezing stage 154b.
- the first freezing stage 154a is in contact with a partition portion 156 described later.
- the first refrigeration stage 154a is connected to the end of the radiation shield 130 with a partition 156 and a first heat transfer unit 159 described later interposed therebetween.
- the first freezing stage 154a cools not only the inside of the first pipe 150 but also the radiation shield 130.
- the second refrigeration stage 154b of the refrigerator 153 is located above the connecting portion between the refrigerant container 120 and the first pipe 150 and below the first refrigeration stage. During the operation of the refrigerator 153, the second refrigeration stage 154b re-liquefies the vaporized refrigerant 10G.
- the refrigerator 153 is arranged so that the first flow path 11 of the vaporized refrigerant 10G is formed between the refrigerator 153 and the first pipe 150.
- the refrigerator 153 is stopped, the refrigerator 153 is cooled by heat exchange between the refrigerant 10G flowing through the first flow path 11 and the refrigerator 153. Thereby, it can suppress that a heat
- the partition part 156 is disposed in the gap between the inner surface of the first pipe 150 and the refrigerator 153.
- the partition part 156 constitutes a part of the first flow path 11 while partitioning the inside of the first pipe 150 into the refrigerant container 120 side and the attachment port 151 side.
- the partition part 156 extends in the circumferential direction with respect to the central axis of the first pipe 150 so as to surround the refrigerator 153 in the first pipe 150.
- the partition portion 156 is provided with a plurality of holes 157 that are part of the first flow path 11.
- the plurality of hole portions 157 are arranged at intervals in the circumferential direction in the partition portion 156, and allow the refrigerant container 120 side and the attachment port 151 side in the first pipe 150 to communicate with each other.
- the vaporized refrigerant 10G flows through the plurality of holes 157 provided in this manner, so that the stopped refrigerator 153 and the vaporized refrigerant 10G efficiently exchange heat via the partition 156. Can do.
- the plurality of holes 157 are preferably arranged at equal intervals in the circumferential direction of the partition 156.
- the partition part 156 is located so as to face the end part of the radiation shield 130 with the first pipe 150 interposed therebetween. Since the partition part 156 is positioned in this way, when the refrigerator 153 is stopped, the radiation shield 130 is cooled via the first pipe 150 by the sensible heat of the vaporized refrigerant 10G flowing in the partition part 156. Can do. As a result, intrusion of heat from the outside into the refrigerant container 120 can be more effectively suppressed in a state where the power supply is stopped.
- the partition part 156 is preferably made of a material having good thermal conductivity.
- the partition part 156 is comprised, for example with copper.
- the superconducting magnet 100 further includes an annular first heat transfer section 159.
- the first heat transfer unit 159 constitutes a part of the peripheral wall of the first pipe 150, but the first heat transfer unit 159 is in contact with the outer periphery of the peripheral wall of the first pipe 150. May be provided.
- the first heat transfer section 159 is positioned so as to contact the partition section 156. Specifically, the first heat transfer part 159 is in contact with the outer peripheral part of the partition part 156 so as not to block the hole part 157.
- the first heat transfer unit 159 is provided so as to be in contact with the outer periphery of the peripheral wall of the first pipe 150, the first heat transfer unit 159 is connected to the partition unit 156 with the peripheral wall of the first pipe 150 interposed therebetween. Connected indirectly.
- the first heat transfer part 159 is located between the partition part 156 and the end of the radiation shield 130. Thereby, when the refrigerator 153 is stopped, the radiation shield 130 can be more efficiently cooled via the first heat transfer section 159 by the sensible heat of the vaporized refrigerant 10G flowing in the partition section 156. Furthermore, since the partition part 156 is in contact with the first freezing stage of the refrigerator 153, the radiation shield 130 can be more efficiently cooled during operation of the superconducting magnet 100.
- the first heat transfer unit 159 is preferably made of a material having good thermal conductivity.
- the first heat transfer unit 159 is made of copper, for example.
- the second pipe 160 passes through each of the vacuum vessel 140 and the radiation shield 130 and is connected to the refrigerant vessel 120 to constitute the second flow path 12 of the vaporized refrigerant 10G.
- the second pipe 160 is made of a nonmagnetic material, for example, stainless steel.
- the second pipe 160 has a drawing port 161 outside the vacuum vessel 140.
- the superconducting magnet 100 further includes a current lead 162 that is electrically connected to the superconducting coil 110.
- the current lead 162 passes through the inside of the second pipe 160 and is drawn out secretly from the drawing port 161 to the outside.
- the tip of the current lead 162 drawn out is connected to a power source (not shown) that supplies power.
- the current lead 162 in the present embodiment is a fixed current lead that is not removed.
- the material of the current lead 162 is mainly composed of phosphorous deoxidized copper.
- the main component of the material of the current lead 162 is not limited to phosphorous deoxidized copper, but may be brass or electrolytic copper.
- the superconducting magnet 100 further includes an annular second heat transfer section 169.
- the second heat transfer unit 169 is provided so as to contact the outer periphery of the peripheral wall of the second pipe 160, but the second heat transfer unit 169 is a part of the peripheral wall of the second pipe 160. May be configured.
- the second heat transfer section 169 is located between the second pipe 160 and the end of the radiation shield. Thereby, when the refrigerator 153 is stopped, the radiation shield 130 can be more efficiently cooled via the second heat transfer section 169 by the sensible heat of the vaporized refrigerant 10G flowing through the second flow path 12. it can.
- the second heat transfer section 169 is preferably made of a material having good thermal conductivity.
- the second heat transfer unit 169 is made of, for example, copper.
- the third piping 170 is connected to the first piping 150 outside the vacuum vessel 140 and extends while being in contact with the vacuum vessel 140.
- the third pipe 170 constitutes another part of the first flow path 11 of the vaporized refrigerant 10G. Since the vacuum vessel 140 in contact with the third pipe 170 is cooled by the sensible heat of the vaporized refrigerant 10G, it is possible to more effectively suppress heat penetration from the outside.
- the third pipe 170 is made of a nonmagnetic material, for example, copper.
- the fourth pipe 180 is connected to the second pipe 160 outside the vacuum container 140 and extends while being in contact with the vacuum container 140.
- the fourth pipe 180 constitutes another part of the second flow path 12 of the vaporized refrigerant 10G. Since the vacuum vessel 140 in contact with the fourth pipe 180 is cooled by the sensible heat of the vaporized refrigerant 10G, it is possible to more effectively suppress heat penetration from the outside.
- the material of the fourth pipe 180 is made of a nonmagnetic material, for example, copper.
- the inner diameter and length of each of the third pipe 170 and the fourth pipe 180 are set according to the amount of heat intrusion through the first pipe 150 and the amount of heat intrusion through the second pipe 160 when the power supply is stopped. Is done. Specifically, since the amount of heat intrusion through the first pipe 150 is larger than the amount of heat intrusion through the second pipe 160, the flow rate of the vaporized refrigerant 10G flowing through the first flow path 11 passes through the second flow path 12.
- the inner diameter and length of each of the third pipe 170 and the fourth pipe 180 are set so as to be larger than the flow rate of the flowing vaporized refrigerant 10G.
- each of the third pipe 170 and the fourth pipe 180 is configured such that the flow rate of the vaporized refrigerant 10G flowing through the first flow path 11 is larger than the flow rate of the vaporized refrigerant 10G flowing through the second flow path 12. Has been.
- the pressure relief valve 190 is connected to each of the third pipe 170 and the fourth pipe 180.
- the vaporized refrigerant 10G flows through the first flow path 11 in the third pipe 170 and the second flow path 12 in the fourth pipe 180, and then is discharged from the pressure release valve 190.
- the third pipe 170 and the fourth pipe 180 are both connected to one pressure release valve 190.
- each of the third pipe 170 and the fourth pipe 180 is connected to a connection pipe 191, and the connection pipe 191 is connected to one pressure release valve 190.
- the third pipe 170 and the fourth pipe 180 may be connected to two different pressure release valves 190, respectively.
- the first flow path 11 is provided from the refrigerant container 120 to the pressure relief valve 190 through the first pipe 150 and the third pipe 170.
- the second flow path 12 is provided from the refrigerant container 120 to the pressure relief valve 190 through the second pipe 160 and the fourth pipe 180.
- each of the third pipe 170 and the fourth pipe 180 extends while being in contact with the vacuum vessel 140. Therefore, by adjusting the flow rate of the vaporized refrigerant 10G in each of the first flow path 11 and the second flow path 12 according to the heat penetration amount, the vacuum vessel 140 and the radiation shield 130 are also in a state where the power supply is stopped. Each of these can be efficiently cooled, and the heat intrusion into the refrigerant container 120 from the outside can be effectively suppressed.
- the partition part 156 extends in the circumferential direction with respect to the central axis of the first pipe 150 so as to surround the refrigerator 153 in the first pipe 150, and is spaced from the partition part 156 in the circumferential direction. Is provided with a plurality of holes 157 that are part of the first flow path 11 and communicate with the refrigerant container 120 side and the attachment port 151 side, thereby passing through the plurality of holes 157. Since the partitioning part 156 can be cooled more uniformly by the vaporized refrigerant 10G that is vaporized, heat intrusion into the refrigerant container 120 can be effectively suppressed.
- the third pipe 170 and the fourth pipe 180 are both connected to one pressure release valve 190, and each of the third pipe 170 and the fourth pipe 180 has a flow rate of the vaporized refrigerant 10G flowing through the first flow path 11,
- the flow rate of the vaporized refrigerant 10G flowing through the second flow path 12 is configured to be larger.
- each of the first pipe 150 and the second pipe 160 can be cooled according to the amount of heat penetration without using a mechanism such as a flow rate adjusting valve, so that the superconducting magnet can be used even when the power supply is stopped. It is possible to effectively suppress heat intrusion from the outside of 100 into the refrigerant container 120.
- the present invention is not limited to the above embodiment, and the inner diameter and the length of each of the third pipe 170 and the fourth pipe 180 are the same, and the first flow path 11 located in the first pipe 150 and the second pipe
- the second flow path 12 located in the pipe 160 may be configured to have a flow area corresponding to the amount of heat intrusion through the first pipe 150 and the amount of heat intrusion through the second pipe 160. .
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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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
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