CN105190795B - 超导磁体的冷却方法及超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明包括如下工序：通过使冷冻机的前端部与导热构件(180)的接触部(182)相接触，从而通过导热构件(180)将冷冻机与超导线圈(110)热连接，将超导线圈(110)冷却至极低温的工序(S100)；在上述冷却工序(S100)后，使冷冻机的前端部与导热构件(180)的接触部(182)成为非接触状态的工序(S110)；以及在上述非接触工序(S110)后，将液体氦(130)注入到氦槽(120)内的工序(S120)。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体的冷却方法及超导磁体。
背景技术
作为公开了即使停电也难以引起超导线圈的失超(quench)的传导冷却式超导磁体装置的结构的现有文献，具有日本专利特开2009-32758号公报(专利文献1)。
专利文献1记载的传导冷却式超导磁体装置包括：极低温用冷冻机、装有制冷剂的容器、浸渍在该制冷剂中的超导线圈、以及与上述容器和极低温用冷冻机双方热接触，来进行两者间的热传导的导热单元。
在传导冷却式超导磁体装置中，在极低温用冷冻机进行工作时，经由导热单元来进行容器和极低温用冷冻器之间的热传导，以对容器进行冷却。在极低温用冷冻机停止运行时，通过设置于导热单元的切断单元来切断容器和极低温用冷冻机之间的热传导，使热量从外界经由导热单元流入容器，从而防止制冷剂的蒸发。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2009－32758号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1中，记载了与超导线圈和冷冻机双方热接触来进行两者的热传导的导热单元、以及设置于导热单元的切断单元，使得能切断超导线圈和冷冻机之间的热传导，但并未记载它们的具体结构。
此外，假设在氦槽内配置有由可动构件构成的导热开关的情况下，导热开关可能被冻结而无法动作，从而无法稳定地切断超导线圈和冷冻机之间的热传导。
本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种在冷冻机停止时，能稳定地抑制通过冷冻机的热侵入的超导磁体的冷却方法及超导磁体。
解决技术问题所采用的技术手段
基于本发明的超导磁体的冷却方法中，该超导磁体包括：氦槽，该氦槽内部储存有液体氦；超导线圈，该超导线圈浸渍到收纳于氦槽内的液体氦中；真空容器，该真空容器收纳有氦槽；冷冻机，该冷冻机自由装卸地固定于真空容器，且冷冻机的前端部位于氦槽内；以及导热构件，该导热构件位于氦槽内，与超导线圈相接触并热连接，且具有能与冷冻机的前端部相接触的接触部。超导磁体的冷却方法包括如下工序：通过使冷冻机的前端部与导热构件的接触部相接触，从而通过导热构件将冷冻机与超导线圈热连接，将超导线圈冷却至极低温的工序；在上述冷却工序后，使冷冻机的前端部与导热构件的接触部成为非接触状态的工序；以及在上述非接触工序后，将液体氦注入到氦槽内的工序。
发明效果
根据本发明，在冷冻机停止时，能稳定地抑制通过冷冻机的热侵入。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的超导磁体中将超导线圈冷却至极低温时的状态的剖视图。
图2是放大显示图1的状态的冷冻机的剖视图。
图3是表示同一实施方式所涉及的超导磁体中，结束冷冻机所进行的超导线圈的冷却并注入了液体氦后的状态的剖视图。
图4是放大显示图3的状态的冷冻机的剖视图。
图5是表示同一实施方式所涉及的超导磁体的冷却方法的流程图。
图6是放大表示本发明的实施方式2所涉及的超导磁体中将超导线圈冷却至极低温时的状态的冷冻机的剖视图。
图7是放大表示同一实施方式所涉及的超导磁体中，结束冷冻机所进行的超导线圈的冷却并注入了液体氦后的状态的冷冻机的剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式1所涉及的超导磁体的冷却方法及超导磁体进行说明。在以下实施方式的说明中，对图中相同或者相当的部分标注相同标号，且不重复其说明。
(实施方式1)
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的超导磁体中将超导线圈冷却至极低温时的状态的剖视图。图2是放大显示图1的状态的冷冻机的剖视图。另外，图1中，未图示出伸展构件。图2中，图示出了伸展前的伸展构件。
图3是表示本实施方式所涉及的超导磁体中，结束冷冻机所进行的超导线圈的冷却并注入了液体氦后的状态的剖视图。图4是放大显示图3的状态的冷冻机的剖视图。
如图1至图4所示，本发明的实施方式1所涉及的超导磁体100包括：内部储存有液体氦130的氦槽120；浸渍在收纳于氦槽120内的液体氦130中的超导线圈110；以及收纳氦槽120的真空容器150。本实施方式中，氦槽120和真空容器150之间配置有热屏蔽体140。
此外，超导磁体100包括：筒状部160，该筒状部160从真空容器150跨越设置到氦槽120，使得真空容器150的外部与氦槽120的内部连通；冷冻机，该冷冻机插入到筒状部160内，并自由装卸地固定于真空容器150，其前端部位于氦槽120内；以及导热构件180，该导热构件180位于氦槽120内，与超导线圈110相接触并热连接。导热构件180具有接触部182，该接触部182位于筒状部160的下方，并能与冷冻机的前端部相接触。
以下，对超导磁体100的各结构进行详细说明。
超导线圈110由超导线构成，该超导线由铌钛合金形成，并在氦槽120的内部底面上卷绕成螺旋状。然而，超导线的材料并不限于铌钛合金，例如也可以是铌锡合金。超导磁体100具有多个超导线圈110。通过从未图示的外部电源向超导线圈110流过电流，从而在磁场发生区域产生箭头10所示方向的磁场。
侧视时氦槽120具有大致圆环状的外形，由不锈钢形成。但是氦槽120的材料并不限于不锈钢，只要是刚性较高的材料即可。
如上所述，氦槽120具有作为超导线圈110的线轴(spool)的功能。较大的电磁力作用于超导线圈110。因此，氦槽120需要具有较高的刚性，以对抗作用于超导线圈110的电磁力，并将超导线圈110固定于规定位置。
并且，氦槽120的上部连接有用于向氦槽120内提供氦的配管161。配管161的末端位于真空容器150的外侧。配管161的末端设有用于打开、关闭配管161的阀162。
侧视时，热屏蔽体140具有大致圆环状的外形，剖视时热屏蔽体140包围氦槽120的周围。热屏蔽体140抑制热量从外部通过热辐射而侵入氦槽120内。热屏蔽体140由铝形成，但热屏蔽体140的材料并不限于此，热传导率较高的材料即可。
真空容器150收纳有超导线圈110、氦槽120及热屏蔽体140。真空容器150使真空容器150的内部与外部真空绝热。侧视时，真空容器150具有大致圆环状的外形。
通过上述氦槽120、热屏蔽体140及真空容器150构成抑制热侵入超导线圈110的结构体即低温恒温器。本实施方式所涉及的低温恒温器中，当低温恒温器的内部温度为4K时，侵入低温恒温器内的热侵入量为0.6W。
如上所述，低温恒温器设有用于安装冷冻机的筒状部。筒状部160的上端与真空容器150的开口端相连，筒状部160的下端与氦槽120的开口端相连
本实施方式所涉及的超导磁体100具有导热构件180，该导热构件180在筒状部160下端的正下方具有接触部182。导热构件180包含分别与多个超导线圈110相接触，且热连接的多个连接部181。然而，导热构件180和各超导线圈110经由绝缘纸相接，且电绝缘。导热构件180由铜形成。但是导热构件180的材料并不限于铜，只要是热传导率较高的材料即可。
本实施方式中，导热构件180的接触部182具有能与冷冻机的前端部相嵌合的形状。具体而言，接触部182具有形状比冷冻机的前端部的外形稍大的凹部。但是接触部182的形状并不限于上述形状，能与冷冻机的前端部相接触即可。
本实施方式所涉及的冷冻机包含冷冻机主体170、安装于冷冻机主体170的前端的延伸构件。冷冻机主体170是吉福德-麦克马洪(GM)冷冻机。冷冻机主体170的冷冻能力在温度为4K时为1W，相对于侵入低温恒温器的热侵入量(0.6W)具有充分的冷冻能力。然而，冷冻机的种类并不限于GM冷冻机，也可以是例如脉管冷冻机等其他冷冻机。
冷冻机主体170具有两段冷却平台。第一段的冷却平台171与热屏蔽体140相接触。第二段的冷却平台172与延伸构件相连接。第二段的冷却平台172及延伸构件分别具有圆柱状的外形，该圆柱状具有大致相同的直径。延伸构件由铜形成，但延伸构件的材料并不限于此，只要是热传导率较高的材料即可。
本实施方式中，选择性地使用长度互不相同的两个延伸构件。具体而言，在将超导线圈110冷却至极低温时，使用图2所示的尺寸较长的延伸构件190，在冷冻机所进行的超导线圈110的冷却结束后，使用图4所示的尺寸较短的延伸构件192。
尺寸较长的延伸构件190的长度L1比尺寸较短的延伸构件192的长度L2要长。尺寸较长的延伸构件190内置于加热器191，尺寸较短的延伸构件192内置于加热器193。
如图2、图4所示，在将冷冻机安装于筒状部160内的状态下，冷冻机主体170的前端位于氦槽120内，与导热构件180的接触部182间隔开。
如图2所示，冷冻机主体170的前端安装有尺寸较长的延伸构件190，由此构成的长尺寸冷冻机具有其前端部与导热构件180的接触部182相接触的长度。
如图4所示，冷冻机主体170的前端安装有尺寸较短的延伸构件192，由此构成的短尺寸冷冻机具有其前端部与导热构件180的接触部182成为非接触的长度。
本实施方式中，冷冻机具有安装于冷冻机前端部的表面的伸展构件199。伸展构件199是在导热构件180的接触部182与冷冻机的前端部相嵌合时伸展，从而填埋接触部182和前端部之间的构件。
本实施方式中，伸展构件199是由铟构成的引线。具体而言，铟的引线卷绕于成为冷冻机的前端部的延伸构件190的端部。
然而，伸展构件199的材料并不限于铟，只要是铅等伸展性及热传导性较大的材料即可。伸展构件199的形状并不限于引线，也可以是片材。
以下，对具有上述结构的超导磁体100的冷却方法进行说明。超导磁体100的冷却中，具有将超导线圈110从常温冷却至约4K的极低温的初始冷却、和在初始冷却后为了将超导线圈110的温度维持在极低温而对超导线圈110进行冷却的恒定冷却这两个冷却状态。
图5是表示本实施方式所涉及的超导磁体的冷却方法的流程图。如图1、图2、图5所示，本实施方式所涉及的超导磁体100的冷却方法中，在初始冷却中，通过使冷冻机的前端部与导热构件180的接触部182相接触，从而通过导热构件180将冷冻机和超导线圈110热连接，并将超导线圈110冷却至极低温(S100)。
具体而言，如图1、图2所示，初始冷却中，将上述长尺寸冷冻机插入至筒状部160并固定于真空容器150。长尺寸冷冻机和真空容器150之间设有真空用密封件168。利用真空用密封件168来防止空气从外部流入氦槽120内。
在长尺寸冷冻机的前端部与导热构件180的接触部182嵌合时，伸展构件199在尺寸较长的延伸构件190和接触部182之间被压扁并伸展。其结果是，长尺寸冷冻机的前端部与导热构件180的接触部182之间被伸展构件199所填埋，从而产生热紧密接触。
由此，冷冻机主体170的第二段的冷却平台172通过导热构件180及伸展构件199与导热构件180热连接。该状态下，在将真空容器150内抽真空，用氦气将氦槽120内充满后，开始运行冷冻机。
在从冷冻机的前端部通过导热构件180将超导线圈110冷却至极低温的阶段，初始冷却完成。在初始冷却完成后，转移至上述恒定冷却。在转移至恒定冷却时，首先，利用1个气压的氦气将氦槽120内再次充满，之后，从真空容器150拆卸下长尺寸冷冻机。
接着，如图3、图4所示，将尺寸较短的延伸构件192安装于冷冻机主体170，以取代尺寸较长的延伸构件190，由此构成短尺寸冷冻机。将该短尺寸冷冻机插入至筒状部160，并固定于真空容器150。此时，将内压用密封件169配置在短尺寸冷冻机和真空容器150之间，以取代真空用密封件168。利用内压用密封件169来防止氦槽120内的氦气流出到外部。
在将短尺寸冷冻机固定于真空容器150的状态下，短尺寸冷冻机的前端部与导热构件180的接触部182不接触而间隔开。由此，在上述初始冷却的工序(S100)后，冷冻机的前端部与导热构件180的接触部182处于非接触状态(S110)。由此，切断冷冻机和导热构件180之间的热连接。
之后，再次开始运行冷冻机，打开阀162，从配管161向氦槽120内注入液体氦130(S120)。注入液体氦130直至由未图示的液面指示器测量得到的氦槽120内的液体氦130的储存量达到规定量。在液体氦130的注入完成后，关闭阀162。
在如上所述那样转移至恒定冷却后，氦槽120内气化后的氦被冷冻机冷却，并再次液化。其结果是，继续进行液体氦130所进行的超导线圈110的冷却，并将超导线圈110的温度维持在极低温。
如上所述，恒定冷却时，侵入低温恒温器的热侵入量为0.6W，与此相对，冷冻机的冷冻能力为1W，多出0.4W。若持续冷冻机的冷冻能力为剩余的状态，则氦槽120内的氦气的液化会进行所需程度以上而导致氦槽120内的压力低于1个气压。该情况下，由于空气易于从外部侵入到氦槽120内，因此并不优选。因此，本实施方式中，通过对尺寸较短的延伸构件192的加热器193接通0.4W的电力，从而将氦槽120内的压力维持为固定。
如上所述，关于本实施方式所涉及的超导磁体100的冷却方法，在将液体氦130注入到氦槽120内之前，使冷冻机的前端部与导热构件180的接触部182处于非接触状态，因此假设即使在恒定冷却时冷冻机停止的情况下，也能稳定地抑制热量通过冷冻机侵入超导线圈100。
下面，对本发明的实施方式2所涉及的超导磁体的冷却方法及超导磁体进行说明。另外，本实施方式所涉及的超导磁体仅冷冻机的结构与实施方式1所涉及的超导磁体100不同，因此对于其他结构，不进行重复说明。
(实施方式2)
图6是放大表示本发明的实施方式2所涉及的超导磁体中将超导线圈冷却至极低温时的状态的冷冻机的剖视图。图7是放大表示本实施方式所涉及的超导磁体中，结束冷冻机所进行的超导线圈的冷却并注入了液体氦后的状态的冷冻机的剖视图。
本实施方式中，不使用延伸构件，而选择性地使用长度及冷冻能力互不相同的两个冷冻机主体。即，选择性地使用冷冻能力比后述的短尺寸冷冻机170b要大的长尺寸冷冻机170a和短尺寸冷冻机170b来作为冷冻机。
具体而言，在将超导线圈110冷却至极低温时，使用图6所示的长尺寸冷冻机170a，在冷冻机所进行的超导线圈110的冷却结束后，使用图7所示的短尺寸冷冻机170b。
长尺寸冷冻机170a具有第一段的冷却平台171a及第二段的冷却平台172a。短尺寸冷冻机170b具有第一段的冷却平台171b及第二段的冷却平台172b。
长尺寸冷冻机170a的冷冻能力在温度为4K时为1.5W，短尺寸冷冻机170b的冷冻能力在温度为4K时为1W。长尺寸冷冻机170a及短尺寸冷冻机170b分别构成为可对输出进行调节。
在位于真空容器150内的部分，长尺寸冷冻机170a的长度L3比短尺寸冷冻机170b的长度L4要长。如图6所示，长尺寸冷冻机170a具有其前端部与导热构件180的接触部182相接触的长度。如图7所示，短尺寸冷冻机170b具有其前端部与导热构件180的接触部182成为非接触的长度。
本实施方式中，伸展构件199卷绕于长尺寸冷冻机170a的前端部。伸展构件199在导热构件180的接触部182与长尺寸冷冻机170a的前端部相嵌合时伸展，从而填埋接触部182和长尺寸冷冻机170a的前端部之间。
通过上述结构，在初始冷却中，使用冷冻能力较大的长尺寸冷冻机170a来对超导线圈110进行冷却，从而能缩短初始冷却时间。在恒定冷却中，使用冷冻能力较小的短尺寸冷冻机170b，从而能降低初始冷却后出货的超导磁体100的成本。
并且，长尺寸冷冻机170a和短尺寸冷冻机170b分别构成为可对输出进行调节，因此，在恒定冷却中，无需使用加热器就能对短尺寸冷冻机170b的输出进行调节，将氦槽120内的压力维持为固定。
另外，本次所揭示的上述实施方式在所有方面均为例示，而不是限制性的解释根据。因此，并不能仅通过上述实施方式来解释本发明的技术范围，应当基于权利要求书的记载来确定。此外，还包括与权利要求范围均等的意义及范围内的所有变更。
标号说明
100超导磁体、110超导线圈、120氦槽、130液体氦、140热屏蔽体、150真空容器、160筒状部、161配管、162阀、168，169密封件、170冷冻机主体、170a长尺寸冷冻机、170b短尺寸冷冻机、171第一段的冷却平台、172第二段的冷却平台、180导热构件、181连接部、182接触部、190，192延伸构件、191，193加热器、199伸展构件。
Claims (6)
1.一种超导磁体的冷却方法，该超导磁体包括：
氦槽(120)，该氦槽(120)内部储存有液体氦(130)；
超导线圈(110)，该超导线圈(110)浸渍到收纳于所述氦槽(120)内的所述液体氦(130)中；
真空容器(150)，该真空容器(150)收纳有所述氦槽(120)；
冷冻机，该冷冻机自由装卸地固定于所述真空容器(150)，且冷冻机的前端部位于所述氦槽(120)内；以及
导热构件(180)，该导热构件(180)位于所述氦槽(120)内，与所述超导线圈(110)相接触并热连接，且具有能与所述冷冻机的所述前端部相接触的接触部(182)，该超导磁体的冷却方法的特征在于，
所述冷冻机包含长尺寸冷冻机和短尺寸冷冻机，该长尺寸冷冻机具有所述前端部与所述导热构件(180)的所述接触部(182)相接触的长度，该短尺寸冷冻机具有所述前端部与所述导热构件(180)的所述接触部(182)成为非接触的长度,
该超导磁体的冷却方法包括如下工序：
冷却工序(S100)，该冷却工序(S100)中，将所述长尺寸冷冻机安装于所述真空容器(150)，通过使该长尺寸冷冻机的所述前端部与所述导热构件(180)的所述接触部(182)相接触，从而通过所述导热构件(180)将所述长尺寸冷冻机与所述超导线圈(110)热连接，将所述超导线圈(110)冷却至极低温；
非接触工序(S110)，该非接触工序(S110)中，在所述冷却工序(S100)后，将所述短尺寸冷冻机安装于所述真空容器(150)，使位于所述氦槽(120)内的所有所述冷冻机的所述前端部与所述导热构件(180)的所述接触部(182)成为非接触状态；以及
维持工序，该维持工序中，在所述非接触工序(S110)后，将所述液体氦(130)注入到所述氦槽(120)内，利用所述短尺寸冷冻机对在所述氦槽(120)内气化了的氦进行冷却，使其再次液化，从而继续进行由所述液体氦(130)所进行的所述超导线圈(110)的冷却，将所述超导线圈(110)的温度维持在极低温。
2.如权利要求1所述的超导磁体的冷却方法，其特征在于，
所述冷却工序(S100)中使用的所述长尺寸冷冻机的冷冻能力比所述非接触工序(S110)中所使用的所述短尺寸冷冻机的冷冻能力要大。
3.如权利要求1或2所述的超导磁体的冷却方法，其特征在于，
所述导热构件(180)的所述接触部(182)具有能与所述长尺寸冷冻机的所述前端部相嵌合的形状，
所述长尺寸冷冻机还具有安装于所述前端部的表面的伸展构件(199)，
所述冷却工序中，所述伸展构件(199)在所述导热构件(180)的所述接触部(182)和所述长尺寸冷冻机的所述前端部相嵌合时伸展，并填埋该接触部(182)和该前端部之间。
4.一种超导磁体，其特征在于，包括：
氦槽(120)，该氦槽(120)内部储存有液体氦(130)；
超导线圈(110)，该超导线圈(110)浸渍到收纳于所述氦槽(120)内的所述液体氦(130)中；
真空容器(150)，该真空容器(150)收纳有所述氦槽(120)；
筒状部(160)，该筒状部(160)从所述真空容器(150)跨越设置到所述氦槽(120)，以连通所述真空容器(150)的外部和所述氦槽(120)的内部；
冷冻机，该冷冻机自由装卸地固定于插入到所述筒状部(160)内的所述真空容器(150)，且冷冻机的前端部位于所述氦槽(120)内；以及
导热构件(180)，该导热构件(180)位于所述氦槽(120)内，与所述超导线圈(110)相接触并热连接，
所述导热构件(180)具有位于所述筒状部(160)的下方且能与所述冷冻机的所述前端部相接触的接触部(182)，
所述冷冻机包含长尺寸冷冻机和短尺寸冷冻机，该长尺寸冷冻机具有所述前端部与所述导热构件(180)的所述接触部(182)相接触的长度，该短尺寸冷冻机具有所述前端部与所述导热构件(180)的所述接触部(182)成为非接触的长度,
在将所述超导线圈(110)冷却至极低温为止的期间，将所述长尺寸冷冻机插入到所述筒状部(160)内，并安装于所述真空容器(150)，所述长尺寸冷冻机的所述前端部与所述导热构件(180)的所述接触部(182)相接触，通过所述导热构件(180)使所述长尺寸冷冻机和所述超导线圈(110)热连接，
在将所述超导线圈(110)冷却在极低温的期间，将所述短尺寸冷冻机插入到所述筒状部(160)内，并安装于所述真空容器(150)，位于所述氦槽(120)内的所有所述冷冻机的所述前端部与所述导热构件(180)的所述接触部(182)间隔开，利用所述短尺寸冷冻机对在所述氦槽(120)内气化了的氦进行冷却，使其再次液化，从而继续进行由所述液体氦(130)所进行的所述超导线圈(110)的冷却，将所述超导线圈(110)的温度维持在极低温。
5.如权利要求4所述的超导磁体，其特征在于，
所述导热构件(180)的所述接触部(182)具有能与所述长尺寸冷冻机的所述前端部相嵌合的形状。
6.如权利要求5所述的超导磁体，其特征在于，
所述长尺寸冷冻机还具有安装于所述前端部的表面的伸展构件(199)，
所述伸展构件(199)在所述导热构件(180)的所述接触部(182)和所述长尺寸冷冻机的所述前端部相嵌合的状态下伸展，并填埋该接触部(182)和该前端部之间。
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