CN114974790A - 超导磁体装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于降低超导磁体装置中的防冻用加热器的故障风险。超导磁体装置(10)具备：超导线圈(12)；真空容器(14)，容纳超导线圈(12)；电流引线(16)，与超导线圈(12)连接并且设置于真空容器(14)内；供电电缆(18)，配置于真空容器(14)的外部并且与电流引线(16)连接；及加热器(20)，与电流引线(16)分开配置并且经由供电电缆(18)对电流引线(16)进行加热。

Description

超导磁体装置

本申请主张基于2021年2月19日申请的日本专利申请第2021-025479号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种超导磁体装置。

背景技术

通常，超导磁体装置具备超导线圈和将其以冷却至超低温的状态容纳的真空容器。为了从外部向超导线圈供电，线圈用电极设置于真空容器的外侧。线圈用电极通过来自超导线圈的热传导而被冷却。因此，在线圈用电极上，真空容器周围的空气中的水分可能会结冰。以往，已知有，为了防止这种情况出现，使安装于线圈用电极上的加热器工作从而直接加热线圈用电极。

专利文献1：国际公开第2017/170265号

本发明人对上述超导磁体装置进行了研究，其结果认识到了以下课题。安装于线圈用电极上的加热器受到由超导磁体装置产生的强磁场引起的漏磁场的影响而其故障风险会增加。而且，在超导磁体装置搭载于加速器上的情况下，由于超导磁体装置附近的辐射的剂量变高，因此加热器的故障风险会进一步增加。

在加热器发生了故障的情况下，需要进行加热器的维修或更换等保养作业，但是，漏磁场或辐射会妨碍作业者接近，因此难以在使超导磁体装置运行的同时进行保养作业。为了进行保养作业而停止超导磁体装置会成为超导磁体装置的停机时间，因此不提倡。

发明内容

本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于，降低超导磁体装置中的防冻用加热器的故障风险。

根据本发明的一种实施方式，超导磁体装置具备：超导线圈；真空容器，容纳超导线圈；电流引线，与超导线圈连接并且设置于真空容器内；供电电缆，配置于真空容器的外部并且与电流引线连接；及加热器，与电流引线分开配置并且经由供电电缆对电流引线进行加热。

根据本发明，能够降低超导磁体装置中的防冻用加热器的故障风险。

附图说明

图1是表示实施方式所涉及的超导磁体装置的示意图。

图2是表示另一实施方式所涉及的超导磁体装置的示意图。

图中：10-超导磁体装置，12-超导线圈，14-真空容器，16-电流引线，16a-气密端子，18-供电电缆，20-加热器，20a-加热元件，20b-温度传感器，24-限制进入区域。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。在说明书及附图中，对相同或等同的构成要件、部件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。在各附图中，为了方便说明，简单设定各部的缩尺或形状，除非另有特别说明，则其并不做限定性解释。实施方式为示例，其并不对本发明的范围做任何限定。实施方式中所记载的所有特征或其组合并不一定是发明的本质。

图1是表示实施方式所涉及的超导磁体装置10的示意图。超导磁体装置10具备超导线圈12，其例如可以作为回旋加速器等加速器或其他高磁场利用设备的磁场源而搭载于高磁场利用设备中，并且能够产生该设备所需要的高磁场。

超导线圈12例如与二级式的吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机或其他形式的超低温制冷机(未图示)热连接，并且在冷却至超导转移温度以下的超低温的状态下使用。在本实施方式中，超导磁体装置10构成为，被超低温制冷机直接冷却的所谓的传导冷却式，而并非将超导线圈12浸渍于液氦等超低温液态制冷剂中。另外，超导线圈12也可以通过将其浸渍于超低温液态制冷剂中的浸渍冷却方式进行冷却。

并且，超导磁体装置10具备：真空容器14，容纳超导线圈12；电流引线16，与超导线圈12连接并且设置于真空容器14上；供电电缆18，配置于真空容器14的外部并且与电流引线16连接；及加热器20，与电流引线16分开配置并且经由供电电缆18对电流引线16进行加热。

真空容器14的内部空间提供适于使超导线圈12处于超导状态的超低温真空环境。真空容器14例如为低温恒温器。作为一例，超导线圈12呈圆环状的形状，真空容器14呈包围超导线圈12的圆环状的形状。为了承受环境压力(例如大气压)，真空容器14例如由不锈钢等金属材料或其他合适的高强度材料制成。

电流引线16经由供电电缆18连接超导线圈12与电源装置22。电流引线16至少设置有一对(正极侧和负极侧)。在电流引线16的周围环境侧(室温侧)的端部设置有贯穿真空容器14的壁部并且用于向真空容器14内导入电流的气密端子16a。在图示的例子中，气密端子16a设置于真空容器14的上表面上，但是并不只限于该配置。电流引线16的与室温侧相反的一侧(低温侧)的端部与超导线圈12连接。

供电电缆18具有第1端部18a、第2端部18b及连接第1端部18a与第2端部18b的软线部18c。第1端部18a例如通过连接器连接或其他适当的连接方法与气密端子16a连接。第2端部18b通过适当的连接方法与电源装置22连接。

供电电缆18规定有基于供电电缆18的物理性质的使用温度上限值(形成软线部18c的护套的合成树脂材料的耐热温度等)。因此，供电电缆18推荐在不超过该使用温度上限值的使用环境下使用。

加热器20具备：加热元件20a，装配于供电电缆18上；温度传感器20b，测定供电电缆18的温度；及控制器20c，根据由温度传感器20b测定的供电电缆18的测定温度以使测定温度成为供电电缆18的使用温度上限值以下的方式控制加热器20的输出功率。

加热元件20a例如为橡胶加热器等接触式加热元件，并且其安装于供电电缆18的软线部18c上。加热元件20a也可以以卷绕在软线部18c的护套上的方式安装于软线部18c上。因此，加热元件20a在供电电缆18上与气密端子16a分开配置，其并没有安装于气密端子16a上。

为了便于更换，加热元件20a也可以以能够拆卸的方式装配于供电电缆18上。

温度传感器20b为通用的温度传感器，并且其安装于供电电缆18上以测定基于加热元件20a的供电电缆18的被加热部位的温度。温度传感器20b安装于软线部18c上的加热元件20a与软线部18c之间或者与加热元件20a相邻或靠近的位置上。

控制器20c与温度传感器20b电连接从而接收由温度传感器20b输出的温度信号。该温度信号表示基于加热元件20a的供电电缆18的被加热部位的测定温度。并且，控制器20c与加热元件20a电连接从而将控制加热元件20a的控制信号发送至加热元件20a。根据该控制信号来控制加热元件20a的输出功率。控制器20c例如通过PID控制等公知的控制方法并根据供电电缆18的测定温度来控制加热器20的输出功率，以使测定温度成为供电电缆18的使用温度上限值以下。

另外，作为硬件结构，控制器20c由以计算机的CPU或存储器为代表的元件或电路来实现，作为软件结构，控制器20c由计算机程序等来实现，但是在图中适当绘制为通过它们的协作实现的功能模块。本领域技术人员应当可以理解，这些功能模块能够通过硬件、软件的组合以各种形式来实现。

在本实施方式中，真空容器14(即，超导线圈12)设置于限制进入区域24内。电源装置22设置于限制进入区域24的外部，供电电缆18从限制进入区域24内的气密端子16a引出到限制进入区域24的外部。加热器20配置于限制进入区域24的外部，加热元件20a在限制进入区域24的外部如上所述装配于供电电缆18上。

限制进入区域24作为可能会产生超过基准的磁场和/或辐射剂量的区域而预先设定在超导线圈12的周围，并且至少在超导线圈12运行中限制人进入该区域。限制进入区域24可以为辐射管理区域。

在超导磁体装置10的运行中，励磁电流从电源装置22通过供电电缆18及电流引线16供给到超导线圈12。由此，超导磁体装置10能够产生强磁场。此时，超导线圈12被冷却至超低温，因此根据电流引线16的热传导，气密端子16a也会被冷却。由于气密端子16a暴露于真空容器14的周围环境中，因此周围空气中的水分可能会在气密端子16a上结露或者结霜。根据情况，水分还有可能会在气密端子16a上结冰。

然而，根据实施方式，加热器20经由供电电缆18对真空容器14进行加热。供电电缆18用作从加热元件20a向气密端子16a的导热路径，由加热元件20a产生的热量经由供电电缆18(尤其经由电缆内的导线)传递至气密端子16a。如此，能够抑制气密端子16a的温度下降，从而能够防止或减轻气密端子16a上的结露或结霜甚至结冰。

加热器20与电流引线16(即超导线圈12)分开配置。通过与超导线圈12保持距离，能够将加热器20配置在超导线圈12可能会产生的漏磁场或辐射的影响较低的位置(例如，限制进入区域24的外部)。由此，与将加热器20直接安装于电流引线16上的情况相比，能够降低由漏磁场或辐射引起的加热器20的故障风险。

并且，若加热器20配置于限制进入区域24的外部，则即使在超导磁体装置10的运行中，作业者也能够接近加热器20而进行检修等保养作业。假设加热器20发生了故障，也容易应对。

在上述实施方式中，加热器20采用了使用温度传感器20b和控制器20c来对加热元件20a进行温度调节控制的形式，但是并不只限于此。加热元件20a也可以以恒定输出功率加热供电电缆18。此时，加热器20可以不具有温度传感器20b和控制器20c。

图2是表示另一实施方式所涉及的超导磁体装置10的示意图。与上述实施方式同样地，超导磁体装置10具备：超导线圈12；真空容器14，容纳超导线圈12；电流引线16，与超导线圈12连接并且设置于真空容器14内；供电电缆18，配置于真空容器14的外部并且与电流引线16连接；及加热器20，与电流引线16分开配置，并且经由供电电缆18加热电流引线16。加热器20配置于限制进入区域24的外部。

在本实施方式中，加热器20根据超导线圈12的通电状态来控制加热器20的输出功率。因此，控制器20c与电源装置22电连接从而从电源装置22接收表示超导线圈12的通电状态的信号。根据该信号，控制器20c掌握超导线圈12的导通和断开或供给至超导线圈12的电流的大小等超导线圈12的通电状态。

例如，控制器20c可以在超导线圈12断开的情况下使加热元件20a导通，并且在超导线圈12导通的情况下使加热元件20a断开。在超导线圈12导通的情况下，电流流过供电电缆18及电流引线16而产生焦耳热，由此能够加热气密端子16a。在期待利用该加热量能够防止气密端子16a的结冰的情况下，可以使加热元件20a断开。

同样地，在供给至超导线圈12的电流的大小小于阈值时(例如，在超导线圈12怠速运转时)，控制器20c可以使加热元件20a导通。在供给至超导线圈12的电流的大小为阈值以上时(例如，在超导线圈12正常运行时)，控制器20c可以使加热元件20a断开。关于阈值，可以根据设计者的经验或由设计者进行的实验或模拟试验等来适当地设定。

也可以代替使加热元件20a导通而使加热元件20a以其最高输出功率或某个高的第1输出功率进行工作。并且，还可以代替使加热元件20a断开而使加热元件20a以最高输出功率或低于第1输出功率的第2输出功率进行工作。

如此，也能够抑制气密端子16a的温度下降，从而能够防止或减轻气密端子16a上的结露或结霜甚至结冰。并且，能够降低由来自超导线圈12的漏磁场或辐射引起的加热器20的故障风险。

另外，基于超导线圈12的通电状态的加热器20的控制可以与基于测定温度的加热器20的控制同时使用。例如，在根据超导线圈12的通电状态而使加热器20导通的期间，控制器20c可以根据基于温度传感器20b的供电电缆18的测定温度来控制加热器20的输出功率，以使测定温度成为供电电缆18的使用温度上限值以下。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应当可以理解，本发明并不只限于上述实施方式，能够进行各种设计变更，能够存在各种变形例，并且这种变形例也在本发明的范围内。在一种实施方式中进行了说明的各种特征也能够适用于其他实施方式中。通过组合而产生的新的实施方式兼具所组合的实施方式各自的效果。

在未设定限制进入区域24的情况下，加热器20可以设置于气密端子16a附近，以实现有效加热。例如，加热元件20a可以装配于供电电缆18的第1端部18a上。并且，即使在设定有限制进入区域24的情况下，加热器20也可以配置于限制进入区域24内，以实现更有效地加热。

加热器20例如也可以具有红外线加热器、循环器等非接触式加热元件，供电电缆18可以被这种非接触式的加热元件加热。

以上，基于实施方式，并使用具体的语句对本发明进行了说明，但是实施方式仅为表示本发明的原理、应用的一个方式，在不脱离技术方案所限定的本发明的思想的范围内，实施方式可以存在诸多变形例或配置的变更。

Claims (5)

1.一种超导磁体装置，其特征在于，具备：

超导线圈；

真空容器，容纳所述超导线圈；

电流引线，与所述超导线圈连接并且设置于所述真空容器内；

供电电缆，配置于所述真空容器的外部并且与所述电流引线连接；及

加热器，与所述电流引线分开配置并且经由所述供电电缆对所述电流引线进行加热。

2.根据权利要求1所述的超导磁体装置，其特征在于，

所述加热器具有装配于所述供电电缆上的加热元件。

3.根据权利要求1或2所述的超导磁体装置，其特征在于，

所述超导线圈设置于限制进入区域内，

所述加热器配置于所述限制进入区域的外部。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超导磁体装置，其特征在于，

所述加热器具有测定所述供电电缆的温度的温度传感器，并且根据由所述温度传感器测定出的所述供电电缆的测定温度来控制所述加热器的输出功率，以使所述测定温度成为所述供电电缆的使用温度上限值以下。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超导磁体装置，其特征在于，

所述加热器根据所述超导线圈的通电状态来控制所述加热器的输出功率。

Images